La durabilité à très
long terme des bétons : entre utopie et nécessité...Carte
blanche à Bernard Thuret Bernard Thuret, physico-chimiste,
est l'un des fondateurs du LERM. LERM
Dans notre
précédente lettre d'information, nous avons souligné que,
dans le cadre d'une problématique de développement durable, l'atout
majeur du béton était sa durabilité en tant que matériau...
On construit aujourd'hui des ouvrages dont la durée de service spécifiée
est de 120, voire 150 ans. Indépendamment de la fonctionnalité de
la structure dans laquelle il est mis en œuvre, quelle peut-être la
durée de vie du matériau béton ? Et quelles sont les étapes
majeures de sa dégradation ? Bernard Thuret
Votre question
distingue implicitement la durabilité du matériau de celle de la
structure dans laquelle il est engagé. Les caractéristiques de structure
ont été déterminées par une fonctionnalité
attendue et c'est la satisfaction de cette attente qui prévaut dans la
majeure partie des cas comme critère d'appréciation de la durabilité
d'un "ouvrage béton". Cependant vous avez raison : le
matériau survit à l'ouvrage mais désormais son observation
devient problématique et il faut bien reconnaître qu'elle perd de
son intérêt. Il n'est donc pas surprenant que les caractéristiques
de cette période de survie du béton soient moins bien connues que
celles de sa période ''d'activité'' mais cette connaissance reste
essentielle si l'on s'intéresse aux interactions physico-chimiques du matériau
avec l'environnement et aux échanges qui les accompagnent. Le problème
du stockage des déchets nucléaires a depuis plus d'une vingtaine
d'années mobilisé la recherche pour la connaissance du comportement
jusqu'à très long terme du béton et le LERM a contribué,
depuis sa création et même avant pour certains de ses membres, aux
nombreuses réflexions que cela a suscité.
C'est ce domaine que
je vous propose de privilégier maintenant, domaine où l'on dispose
délibérément la structure en béton autant que faire
se peut à l'abri des contraintes mécaniques et des agressions chimiques
de l'environnement… mais sans oublier, néanmoins, les accidents géologiques,
ou d'origine humaine exceptionnels.
Le champ des applications de ces recherches
qui, du point de vue temporel, se chiffre en centaines de milliers d'années
n'est d'ailleurs pas forcément limité au stockage des déchets
nucléaires. 
crédit
CEA
LERM
On emploie le terme de durée de vie d'un
béton. Quelles sont les dynamiques observées de son vieillissement
au cours de sa vie ? Bernard Thuret
Vaste question dont la deuxième
partie m'invite à revenir sur le cours complet de la "vie du matériau"
et d'en distinguer des étapes. Tout d'abord la notion de vie (''propriété
essentielle des êtres organisés qui évoluent de la naissance
à la mort en remplissant des fonctions qui leur sont communes'' dixit Robert)
nécessite d'être précisée par qui l'emploie s'agissant
d'un matériau. L'instant de l'issue de la bétonnière
servira de date de naissance du béton et je dirais que sa vie est l'histoire
de toutes ses transformations ultérieures ou, si vous voulez, les dynamiques
observées de son vieillissement.
Ces transformations sont induites par
deux types d'agressions bien distinctes : les contraintes mécaniques et
les altérations chimiques d'origine endogène ou exogène essentiellement
les fluides, gaz et eaux pour ces dernières. Tous les types d'agression
sont simultanés et agissent en synergie : les fissures et microfissures,
écaillages, induits par les contraintes mécaniques, directes ou
indirectes (variations climatiques) accroissent considérablement la perméabilité
et les phénomènes de transport et de dissolution précipitations
qui facilitent à leur tour les processus de dégradation d'origine
mécanique. Permettez moi de ne pas insister sur les facteurs de vieillissements
qui se produisent durant la période ''adulte'' des ouvrages où ils
remplissent des fonctions classiques généralement prévues
pour une durée de l'ordre d'une centaine d'années. Cette question
a été fréquemment traitée dans le cadre de cette lettre
d'information. Pour distinguer des étapes dans le cursus de ''la
vie du matériau'', j'aurais la double audace de recourir à la comparaison
convenue, mais difficilement contournable des périodes de certains êtres
vivants…que nous devrions bien connaître, et à Monsieur Jourdain…
et la réponse est : Premier âge : la tendre enfance douée
de maniabilité
Deuxième âge : celui de l'acquisition des
forces
Troisième âge : l'âge adulte de l'accomplissement
correcte des fonctions
Quatrième âge : la suite : une activité
spécifique avec des moyens spécifiques tenant compte d'aptitudes
modifiées par l'usage et l'usure du temps. Période qui précède
un grand saut dans l'inconnu. Inconnu sur lequel un individu privilégié
(ou protégé) aura le loisir de méditer quelques temps….
avant d'entrevoir l'éternité…qui nous ramène presque
à nos moutons de la durabilité à très long terme.
Toutes ces plaisanteries ne sont peut-être pas dignes du bon goût
légendaire du LERM ! 
L'instant
de l'issue de la bétonnière servira de date de naissance du béton
LERM
Pour
poursuivre dans la plaisanterie, qu'est ce que, in fine, définirait
la mort d'un béton ? Bernard Thuret
Ah bien joué
! Vous avez bien observé que je me suis bien gardé d'essayer de
parler de mort d'un béton. Je persiste et signe, pourquoi ? Vais-je
publier un acte de décès parce que je ne suis plus capable d'observer
le supposé défunt? Pourtant cela me faciliterait bien les choses
pour dresser un bilan de sa vie, voire des services rendus. Les échanges
avec l'environnement sont à la fois causes et conséquences de la
dégradation du béton. Les fluides, gaz et principalement l'eau,
sont les vecteurs de ces échanges, ils ne s'arrêtent jamais. Leur
bilan est toujours provisoire et doit mentionner comme tout bilan les dates des
deux limites d'observation.
Cette dernière remarque ne semble pas toujours
aller de soi si l'on examine l'ensemble des opérations de communication
des médias concernant la protection de l'environnement. …Et
pour ne pas rester sans voix face à votre question, je dirais que, même
si je m'en sentais capable, je m'interdirais de répondre ! Je ne
manifesterais pas la même attitude concernant un ouvrage. Dans le cas du
génie civil, si l'ouvrage n'est plus apte à la fonction qui lui
est assignée, il est déclassé. Mais, plus généralement,
on pourrait considérer comme défunte une structure qui ne serait
plus identifiable par les procédés de l'analyse immédiate
tout en considérant que ses constituants matériels continuent d'échanger
avec l'environnement et ce faisant, je leur reconnaitrais une vitalité
d'un caractère nouveau. 
Les
échanges avec l'environnement sont à la fois
causes et conséquences
de la dégradation du béton
LERM
Quelles
sont les propriétés du béton qui l'ont amené à
être utilisé comme enveloppe de colis de déchets ou comme
stabilisant de polluants.
Bernard Thuret
Nous rejoignons ici
l'aspect multiforme de la vie du béton. Depuis le coulis du premier âge
qui autorise l'enrobage des déchets solides, aussi bien que la stabilisation
mécanique des boues, jusqu'à la mise en place en enceinte solide
en profitant de la propriété tout a fait exceptionnelle que possèdent
les bétons et mortiers de passer à l'état durci en conservant
une stabilité remarquable de volume apparent (sous réserve d'évitement
de sa dessiccation) qui réduit ainsi les risques de contraintes mécaniques
contenu/contenant. Si l'on tient compte, en outre, de la réserve
alcaline importante assurée par les pâtes de ciments Portland qui
permet la précipitation de nombreux sels polluants (nombre de métaux
lourds, Pb et autres) ce sont ces propriétés réunies qui
autorisent la réalisation de colis adaptés à différents
types de déchets complexes.
Il faut bien reconnaître que nous
bénéficions d'une conjonction de propriétés quelque
peu providentielles si ces dernières sont exploitées à bon
escient, c'est-à-dire en résistant aux tentations d'extensions d'exploitations
abusives. LERM
Nous avons vu que les échanges avec l'environnement
(gaz, eau) sont des facteurs de dégradation du béton.
N'y a-t-il
pas un paradoxe à utiliser comme barrière environnementale un matériau,
qui, précisément, est… poreux ? Bernard Thuret
S'agissant
du béton, l'image de la barrière se rapprocherait beaucoup plus
du filtre catalytique ou adsorbant spécifique que de la passoire. La fraction
poreuse du volume des bétons : pâte de ciment et interface pâte
granulats peut être rendue fort peu perméable (cas extrême
des BHP) Il faut avoir présent à l'esprit l'incroyable tortuosité
de la structure de la pâte de ciment, un véritable labyrinthe de
pores parfois fermés ou communiquant entre eux par des voies étroites
de très petites dimensions, voisines de paquets de quelques centaines de
molécules pour les plus petites, d'où l'étendue et l'importance
des surfaces des parois des pores. Pour illustrer ce propos par une image
quantifiable, quoique irréaliste : selon un modèle de pores cylindriques,
le calcul conduit à la vision du volume d'un seul millilitre de pâte
pure de ciment sous l'aspect d'un amas de pores ''en vermicelles'' de longueur
totale s'évaluant en centaine de milliers de kilomètres présentant
une surface de parois de plusieurs dizaines de mètres carrés. Il
faut donc tenir compte des phénomènes d'adsorption/désorption,
de bouchage/débouchage des pores par condensation/vaporisation d'eau, ce
qui doit être rapproché de l'observation selon laquelle la lixiviation
n'est pas le facteur primordial de la cinétique de vieillissement, sachant
qu'en absence de déplacement des fluides, il y a transports par diffusion
en raison de gradients de concentration dans la phase liquide de cet espace. LERM
L'utilisation
environnementale du béton ne nous mène-t-elle pas à des perspectives
de durée de vie qui excèdent largement celles des durées
de service des ouvrages en béton ? Bernard Thuret
Merci
de recadrer le sujet, c'est bien là où nous voulons en venir. J'oserai
répondre par l'affirmative, en tous cas pour la très grande majorité
des services attendus de ce matériau dans le présent. LERM
De
quels services s'agit-il ? Bernard Thuret
Prenons le principal
consommateur de béton : le bâtiment. Sa fonction est de rassembler,
loger et protéger hommes, animaux et objets. Qualitativement il semble
que l'on peut dire que la maîtrise des techniques actuelles permet d'assurer
le service attendu pour des durées inégalées dans le passé.
Des exemples, non exemplaires, sont déjà apparus où
la vie d'ouvrages a été volontairement abrégée. Ces
exemples sont rares, mais ils existent et la décision de destruction ne
relevait souvent pas d'un seul souci technique lié à la durabilité
du matériau béton. Par ailleurs des matériaux durables
ont été employés pour les possibilités architecturales
qu'autorisaient leurs performances mécaniques, mais pas forcément
pour les performances en matière de durabilité qui les accompagnent.
Autres
raisons : coût, esthétique, interrogation sur les politiques d'urbanisation,
menaces de nouvelles contraintes climatiques, éventualités de nécessité
de transferts massifs de populations et émergence de futures contraintes
encore insoupçonnées font apparaître que le souhait de pérennité
peut avoir des limites dans le domaine de l'habitat, et même présenter
des inconvénients.
Revenant aux exigences de durabilité
à très long terme (centaines de milliers d'années) objectivement
quantifiables (période de décroissance radioactive) dans le domaine
du confinement des matériaux nucléaires, l'obligation de tenir compte
de risques considérés comme peu probables à l'échelle
de temps d'un nombre même considérable de générations
humaines, conduit à la nécessité de prise en compte de la
notion de gestion du risque.
Dans ces domaines, les institutions assurées
de leur pérennité comme celles du nucléaire, apparaissent
comme privilégiées pour développer une stratégie à
long terme et imposer des solutions irréversibles, qui s'opposent aux conceptions
de développement durable et de recyclage. Face à ces motifs d'incertitudes
dont la liste précédente est loin d'être exhaustive, l'indécision
et le temps peuvent apparaître comme une ressource d'action pour étudier
et dégager des solutions nouvelles et permettre aux politiques de reprendre
la main aux experts. Les prises de conscience qui sont nées de ces
préoccupations actuelles et durables conduisent naturellement les experts
et chercheurs conscients de leur limite à faire appel à des collectifs
interdisciplinaires. 
Des
exemples, non exemplaires, sont déjà apparus
où la vie
d'ouvrages a été volontairement abrégée
LERM
Les
demandes de durabilité extrêmes serait donc selon vous limitées
à des domaines spécialisés tels que confinement des toxiques
ou autres à intérêt prospectif ? Bernard Thuret
Oui
c'est un peu ce que je pense, car je n'imagine pas que l'on pourrait exiger de
telles performances de durabilité pour des raisons autres que de protection
de dangers particulièrement graves et…durables, précisément.
Ceci
induit que les performances recherchées ne pourraient être réalisées
que dans des zones géographiques à la fois à l'abri de menaces
catastrophiques et classiques et les réalisations implantées dans
des lieux éloignés de zones habitées.
Pourtant les progrès
réalisés peuvent aussi conduire à des résultats différents
des situations envisagées quelques instants plus tôt. Ce sera le
cas par exemple si l'on cherche à utiliser à plein l'amélioration
des autres performances qui accompagnent celle de la durabilité dans des
réalisations audacieuses d'utilisations classiques du BTP et qui auraient
pour conséquence d'admettre que le matériau puisse être soumis
à des conditions de contraintes ou environnementales d'autant plus sévères. Au
total on perçoit que le champ des problèmes à résoudre
risque de ne pas se rétrécir au contraire… Mais ce qui apparaît
certain, c'est que la recherche des solutions exigera de balayer un champ d'investigation
qualitativement beaucoup plus large et aussi d'envisager pour les très
long termes des ordres non classiques de succession de phénomènes
et l'émergence de contraintes physico-chimiques supplémentaires
ignorées jusqu'alors. A titre d'exemple caricatural, et dans le domaine
du comportement dans le quatrième âge du béton, la prévision
des effets délétères de l'alcali-réaction devrait,
compte tenu de la modification de l'échelle des temps considérée,
envisager la possibilité que les granulats siliceux potentiellement réactifs
finissent par manifester cette potentialité, et peut être aussi l'ensemble
des granulats siliceux. Dans ce cas la lixiviation des alcalins pourrait avoir
éliminé un des réactifs de cette réaction avant que
ne se produise cette éventualité. Il faudrait alors s'interroger
sur la possibilité de substitution d'une réaction calco-hydroxylique
à l'alcali-réaction. LERM
Avons-nous les moyens
méthodologiques et techniques de nous situer dans de telles perspectives
de temps ? Bernard Thuret
L'exercice de prévision de la
durée d'utilisation satisfaisante d'un matériau présente
bien des analogies avec l'estimation de l'espérance de vie d'un être
humain. Pour ce faire les statisticiens distinguent des catégories socio-professionnelles,
tiennent compte des antécédents, des conditions de vie, de leur
environnement climatique et sanitaire et de bien d'autres informations. C'est
bien à partir d'une analyse de données expérimentales accumulées
dans le temps qu'ils peuvent apporter des réponses diversifiées
et pertinentes. On distingue deux catégories d'informations, celles
qui caractérisent l'individu et celles qui caractérisent son environnement
au sens large.
Pour un matériau, il est clair que la validité
de la prédiction de sa durée probable d'utilisation sera à
la mesure de la valeur du stock de données semblables acquises dans le
passé et dont le résultat est connu. Compte tenu -
de l'expérience acquise sur les pathologies de bétons divers et
bien identifiés,
- des progrès de modélisations validées
par observation d'analogues anciens ou archéologiques
- des performances
de l'instrumentation pour l'observation micro et son interprétation
en
termes de propriétés macroscopiques
- de l'état des connaissances
sur les mécanismes de vieillissement du béton dans des structures
actuelles fortement altérées,
- et aussi des progrès dans
la composition et la mise en œuvre des bétons actuels... Je
pense que l'on peut répondre affirmativement à votre question sans
trop de risques… en limitant la portée à 2 à 4 fois
les limites actuelles. Soit 400 ans ??... A l'autre extrémité
des ambitions envisagées (les centaines de milliers d'années), nous
entrons dans un tout autre domaine ou il faudrait être en mesure de considérer
comme normalement prévisibles des phénomènes classés
comme improbables dans le présent.
Le problème de la conception
et de la réalisation d'un matériau satisfaisant à base d'une
formulation spécialisée ne me parait pas hors de portée,
compte tenu des perspectives offertes par les bétons surdosés très
compacts développés actuellement même si l'expérience
de leur vieillissement fait encore défaut. Des points faibles comme leur
susceptibilité à la microfissuration peuvent se révéler
dans l'avenir, mais ils possèdent sans doute des capacités d'autoréparation
compensatrices. Le problème me semble plutôt résider ailleurs
: la mise en place en environnement lui-même protecteur indispensable pour
rendre effective la durabilité potentielle du matériau, ce qui revient
à dire que le questionnement me semble se situer au niveau de la réalisation
et aussi de la conception de la barrière ouvragée.
Nous
avons vu que des communautés interdisciplinaires cherchent à se
doter des moyens de faire avancer cette problématique, polluée par
cette interrogation essentielle complémentaire : peut on confiner une menace
déjà dispersée ou diffuse par nature ?
Quelques
lectures complémentaires techniques-ingenieur.fr/dossier/nouvelle_approche_de_la_durabilite_du_beton_indicateurs_et_methodes/C2245
- La Durabilité des bétons. Bases scientifiques pour la
formulation de bétons durables dans leur environnement, sous la direction
de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot. Presses de l'Ecole nationale
des Ponts et chaussées. 2008.
Progression dans les connaissances
sur les phénomènes d'alcali-réaction. Etat des connaissances
sur les mécanismes physico-chimiques d'alcali-réaction à
travers les derniers colloques, congrès et publications.
Journée
d'étude AFPC-ITBTP, 6 octobre 1992 H.HORNAIN Effect of the leaching
of calcium hydroxide from cement paste on mechanical and physical properties
Cement
and Concrete Research, vol. 27, n°4, pp. 539 - 550 (1997)
C.CARDE, R. FRANCOIS Durabilité
des bétons. Les analogues anciens et l'analyse inverse
Journées
Scientifiques et Techniques Mécaniques & Matériaux, "Durabilité
des Matériaux de Structures", 3 et 4 nov. 1997, Nabeul, Tunisie Les
analogues anciens et l'analyse inverse pour la durabilité des bétons
Revue
Française de Génie Civil, vol. 2, n°3, pp. 341 - 352
JP.
BOURNAZEL, F. BOUTIN, N. RAFAÏ (1998)
Le Pouvoir d'indécision.
La mise en politique des déchets nucléaires. Yannick Barthe.
Paris, Economica, 2006. Et la conférence RILEM : Long
Term Performance of Cementitious Barriers and Reinforced Concrete in Nuclear Power
Plants and Waste Management
30 mars - 2 avril 2009, Cadarache | 
