La carbonatation
du béton
Qu'est-ce
que la carbonatation ?
La carbonatation relève d'un phénomène
de vieillissement naturel des matériaux à base de liant minéral
qui conduit à la formation de carbonates de calcium par réaction
entre les composés des ciments (principalement la portlandite) et le dioxyde
de carbone atmosphérique (CO2), présent dans l'air à
un taux moyen de 0,03 % en volume. Ce taux est plus important en milieu urbain
qu'en milieu rural.
Cette réaction entraîne la consommation de
bases alcalines présentes dans la solution interstitielle des bétons
aboutissant à une diminution du pH qui passe d'une valeur de 13 à
une valeur inférieure à 9.
D'un point de vue chimique cette
réaction se présente ainsi :
CO2 + Ca(OH)2
---------H2O + bases alcalines-------> CaCO3 + H2O
La
cinétique de carbonatation de la pâte de ciment des bétons,
qui évolue suivant une fonction en racine carrée du temps, est dépendante
de l'humidité relative. Elle est maximale pour une humidité. relative
comprise entre 60 et 80 %. Au-delà de 80 %, la cinétique diminue
rapidement pour atteindre des valeurs extrêmement faibles lorsque les pores
sont saturés d'eau, sachant que la diffusion duCO2 dans l'eau
est dix mille fois plus faible que dans l'air.
A l'opposé, si un béton
est placé. dans un environnement très sec, la quantité d'eau
présente dans les pores est insuffisante pour dissoudre le dioxyde de carbone.
La cinétique de carbonatation est donc faible à très faible
lorsqu'un béton est immergé ou lorsqu'il est placé dans un
environnement très sec.
La vitesse de carbonatation
obéit à un processus de diffusion du CO2 atmosphérique
à travers la couche de carbonates formée. Elle suit donc une loi
linéaire en fonction de la racine carrée du temps :
Profondeur
de carbonatation = 
Le coefficient dépend des paramètres de formulation du béton
et de ses conditions d'exposition (humidité, température…).
De nombreuses lois empiriques ont été proposées pour fixer
une valeur de ce coefficient en fonction des conditions d'exposition. Ces lois
simples permettent d'établir une prévision approximative d'évolution
du phénomène dans le temps.
Les
conséquences de la carbonatation
La principale conséquence
de la carbonatation est l'amorce d'un phénomène de corrosion des
armatures du béton armé ou précontraint lorsque le front
de carbonatation est au moins égal à leur profondeur d'enrobage.
Les désordres associés correspondent alors pour l'essentiel à
des fissures et à des épaufrures (expulsion du béton d'enrobage)
consécutives aux gonflements provoqués par la formation d'oxydes
et hydroxydes de fer sur les armatures. Ces dernières peuvent alors montrer
des diminutions de section importantes ou, au stade ultime, des ruptures ayant
des conséquences graves sur la capacité portante des éléments
de structure.
Une conséquence secondaire du phénomène
de carbonatation correspond à une densification de la zone carbonatée
par rapport au béton sain. Cette densification, qui ne revêt aucun
caractère pathologique, peut, dans certaines conditions, conduire à
une diminution relative de 10 à 15 % de la porosité de la zone carbonatée,
formant ainsi une barrière diffusionnelle limitant les phénomènes
de transfert.
La mesure de
la carbonatation
La technique la plus simple à mettre en œuvre
pour mesurer la profondeur de carbonatation des bétons correspond au test
à la phénolphtaléine réalisé sur des fractures
fraiches de béton. La phénolphtaléine est un indicateur de
pH coloré dont le virage se situe aux alentours de 9. Cela permet de différencier
la zone carbonatée (pH < 9) qui reste incolore, de la zone non carbonatée
(pH > 9 et allant jusqu' à 13) colorée en violet. Cet essai doit
être effectué à l'échelle d'un ouvrage, sur un nombre
de points de mesure représentatifs en tenant compte des conditions locales
d'exposition et de l'hétérogénéité possible
du matériau. Ce test permet une mesure fiable et rapide de la profondeur
de carbonatation dans le cadre de diagnostic d'ouvrages.
Sur le suivi de la carbonatation par méthode isotopique, voir notre entretien
avec N. Rafaï
Mise en évidence de la carbonatation de la matrice cimentaire
des échantillons de béton des poutres de la structure porteuse
1
= zone carbonatée (incolore) ; 2 = zone non carbonatée (coloration
rose)
Il existe d'autres techniques de mesure de la profondeur
de carbonatation, plus précises, mais plus lourdes à mettre en oeuvre.
A l'exemple de la microscopie optique sur lames minces, de la méthode isotopique
ou encore de la microscopie électronique à balayage.
Comment
s'en prémunir et comment la prévoir ?
Pour des conditions
d'exposition données, la cinétique de carbonatation d'un béton
est en relation avec sa porosité, et par conséquent avec ses caractéristiques
mécaniques, puisque ces deux paramètres sont étroitement
liés. Ainsi, pour des bétons présentant des résistances
à la compression supérieures ou égales à 50 MPa à
28 jours, comme notamment les BHP, la cinétique de carbonatation est très
faible.
Dans cette optique, la norme européenne EN 206-1 fixe des paramètres
de formulations (dosages en liant équivalent et en additions minérales,
rapport Eau efficace/Liant équivalent) et une classe de résistance
minimale, pour qu'un béton se comporte de façon durable vis-à-vis
de la corrosion des armatures initiée par la carbonatation du béton
d'enrobage. Cette norme définit quatre classes d'exposition notée
XC1 à XC4, dont l'agressivité est fonction de l'humidité
et de l'existence de cycles d'humidification/séchage.
Il existe aussi
un essai dit de " carbonatation accéléré ", qui
permet de caractériser le comportement d'une formulation de béton
vis-à-vis de ce phénomène naturel. Cet essai a été
mis au point dans le cadre du groupe de travail AFPC-AFREM1 - Durabilité
des bétons - " Méthodes recommandées pour la mesure
des grandeurs associées à la durabilité ".
Sur
la cinétique de carbonatation, on peut aussi se référer à
l'entretien avec N. Rafaï sur la méthode d'analyse isotopique. | 
