Eau agressive et liants hydrauliques

Sommaire
	Origine du CO2 des eaux naturelles
	Equilibre carbonique, eau entartrante, eau agressive
	Action de l'acide carbonique
	La dégradation des ciments et des bétons par les eaux agressives
	Précautions à prendre pour la durabilité des bétons

Les grottes, les concrétions, les avens des paysages calcaires nous sont familiers. La dissolution, le transport et la précipitation de la calcite, dont le volume peut être considérable, sont liés à l'action du l'acide carbonique, H₂CO₃, qui peut être considéré comme la solution aqueuse du CO₂. Ces phénomènes intéressent les géologues et les spéléologues… Mais le ciment et le béton sont des matériaux qui, comme le calcaire, contiennent du calcium ; ils sont donc, eux aussi, sensibles aux eaux chargées en CO₂ et c'est à ce titre que le LERM s'intéresse aux eaux agressives.

Origine du CO₂ des eaux naturelles
L'eau couvre environ 70 % de la surface terrestre. Sa surface de contact avec les autres phases en présence : gazeuse (atmosphère) et solide (roches) est donc extrêmement étendue.

Comme l'eau est un excellent solvant, la chimie des eaux est donc régie par les échanges de matière sur ces deux interfaces. Ces échanges sont conditionnés par les compositions chimiques des milieux en contact, mais aussi par les deux paramètres externes que sont la température et la pression.

En dehors de l'origine magmatique, le CO₂ peut être d'origine profonde : il est produit par métamorphisme des formations carbonatées, notamment à la périphérie des zones volcaniques.
Les dégagements gazeux peuvent remonter directement en surface ou être piégés dans des couches intermédiaires (charbon) ou des aquifères captifs calcaires.
Le CO₂ peut être également d'origine biogénique : l'activité biologique de la faune et de la flore peut localement amener à une concentration en dioxyde de carbone de certaines eaux qui est bien supérieure aux valeurs tirées de la loi de Henry (1). On peut mesurer jusqu'à 100 mg de CO₂ par litre d'eau, alors qu'à l'état d'équilibre avec l'atmosphère, on mesure des concentrations de 0,5 à 1 mg par litre.

Le CO₂ n'est pas toujours agressif. Tout dépend des conditions d'équilibre du système eau-CO₂-carbonate de calcium.

Equilibre calco-carbonique, eau entartrante (ou incrustante), eau agressive
Tillmans a montré qu'il existe un pH dit pH de saturation, noté (pHs), et un pH d'équilibre au-delà duquel une précipitation des ions calcium et bicarbonate sous forme de carbonate de calcium sera observée. A partir de pH et pHs on peut construire l'indice dit de Langelier (IL) :

IL = pH-pHs
si
IL > 0 l'eau est entartrante ou inscrustante
IL < 0 : eau est agressive
IL = 0 : eau est à l'équilibre

Action de l'acide carbonique
Le CO₂ existe dans l'eau sous différents états :

La réaction d'équilibre de ces composants s'écrit :

(A)

Tout le CO₂ libre n'est donc pas agressif : (A) montre que CO₂ peut être équilibrant ; le CO₂ libre équilibrant est la fraction de CO₂ dissous juste nécessaire pour qu'il n'y ait ni dissolution ni précipitation de carbonate de calcium… Mais s'il est en excès par rapport au CO₂ équilibrant, cette fraction est alors agressive.

La dégradation des ciments et des bétons par les eaux agressives
Dans le ciment, les agrégats sont solidarisés par des mélanges complexes de silicates de calcium et d'aluminium et de chaux Ca(OH)₂ . De tous les constituants hydratés du ciment, la chaux est le plus soluble. Les éléments agressifs la dissolvent et entraînent ainsi l'augmentation de la porosité du béton et la corrosion des armatures métalliques sous-jacentes.
Les eaux douces, caractérisées par un excès de CO₂ libre, solubilisent donc la chaux et transforment les silicates de calcium hydratés en silicates plus pauvres en oxyde de calcium jusqu'à obtention d'un gel sans pouvoir liant. La vitesse de la dégradation augmente avec le temps car la porosité du béton s'accroît.
Inversement, les eaux incrustantes ont tendance à former, au contact du ciment basique, un dépôt de carbonate de calcium dans les pores du matériau.

Ces phénomènes de dissolution peuvent être pévenus par l'usage de ciments à composition adaptée et par des mesures de protection dont la première est une bonne compacité.

Précautions à prendre pour la durabilité des bétons
L'exposition des ciments aux environnements agressifs a fait l'objet d'une réflexion normative. Le fascicule de documentation P 18-011 (bétons : classification des Environnements agressifs ; juin 1992) fournit des recommandations complémentaires aux exigences de la norme NF EN 206-1 pour les bétons soumis à des environnements chimiques agressifs. Il recommande en particulier des mesures préventives pour la formulation des bétons (type de ciment, dosage minimal en ciment, valeur maximale du rapport E/C) afin d'assurer leur durabilité.

Ce fascicule définit des mesures de protection pour les ouvrages en fonction des conditions environnementales agressives auxquelles ils sont soumis. Ces mesures sont rassemblées dans le tableau suivant :

Le fascicule P 18-011 précise aussi la nature des ciments recommandés en fonction de l'agressivité de l'environnement :

Tableau extrait de la norme P 18-011 adapté avec la désignation des ciments de la norme NF EN 197-1
(Ciment - Partie 1 : composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants, fév.01)

Les ciments CEM II recommandés sont avec ajouts de laitiers et cendres volantes. Ces ciments résistent mieux aux eaux agressives car ils sont plus riches en alumine et globalement moins riches en calcium. Sur la composition des ciments au laitier voir, aussi notre article sur les ajouts.

Notes

(1) Loi de Henry : à température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide.