Carbonatation accélérée des bétons

Figure 5.1: Réalisation de l’essai de fendage brésilien

Figure 5.2: Test à la phénolphtaléine et mesure du front de carbonatation

Résultats et discussions

5.1.1 Carbonatation accélérée

5.1.1.1 Carbonatation accélérée des bétons

Nous avons regroupé tous les résultats des tests à la phénolphtaléine et de la mesure des fronts de carbonatation des différents bétons à différentes échéances dans le Tableau 5.1.

Réf béton C1 E35 C2 E35 C1 E50 SSP C1 E50 C2 E50 C1 E63 C2 E67 t(j) t (√j) pc (cm) pc (cm) pc (cm) pc (cm) pc (cm) pc (cm) pc (cm)

0 0 0 0 0 0 0 0 0,10

1 1 0 0 0 0 1,08 1,03 1,79

3 1,73 0 0,37 0,76 0,64 1,20 1,23 2,02

7 2,65 0 0,73 0,96 0,91 1,60 1,52 2,60

14 3,74 0 0,81 0,93 1,04 2,05 2,28 4

28 5,29 0 1,11 1,57 1,85 2,68 2,98 4

90 9,49 traces 1,51 2,43 2,38 4 4 4

Tableau 5.1: Tableau récapitulatif des profondeurs de carbonatation des différents bétons de cœur

Comme le montre la Figure 5.3, la zone non carbonatée (saine) prend une couleur rose foncé, par contre la zone carbonatée reste incolore. La phénolphtaléine offre donc une lecture assez simple de la profondeur de carbonatation du fait que le front est net et génère de bons contrastes de couleur.

Sur la Figure 5.3 -a-, nous observons que les échantillons de référence (état initial) sont entièrement colorés, donc sans aucun signe de carbonatation, ce qui nous rassure que nous sommes bien partis d’un état sain.

Il est bien visible que les bétons à base de CEM II/A sont plus carbonatés que les bétons à base de CEM I et ceci pour toutes les échéances (cf. Figure 5.3 -c-). Nous observons aussi sur ces photos que le front de carbonatation augmente avec le rapport E/C et avec le temps d’exposition au CO2.

CEM II/A CEM I

-a-

CEM II/A CEM I CEM II/A CEM I -b- -c-

CEM II/A CEM I CEM II /A CEM I

-d- -e-

CEM II/A CEM I CEM II/A CEM I

-f- -g-

a : t0 - b : 1 j - c : 3 j - d : 7 j - e : 14 j - f : 28 j - g : 3 mois

Classement des bétons de gauche à droite : C2 E67, C2 E50, C2 E35, C1 E63, C1 E50, C1E35

Figure 5.3: Mise en évidence des fronts de carbonatation accélérée par pulvérisation de phénolphtaléine.

La Figure 5.4 nous montre l’évolution de la cinétique de carbonatation en fonction du temps d’exposition au CO2.

Nous observons deux cas extrêmes : un cas très faiblement carbonaté et un cas très carbonaté.

Nous n’avons observé aucune trace macroscopique de carbonatation même après 3 mois sur le C1 E35 (CEM I, E/C = 0,35, Rc28j = 47 MPa). A l’inverse, le C2 E67 (CEM II, E/C = 0,67, Rc28j = 17 MPa) présente une carbonatation détectable dès le premier jour d’exposition au CO2 et qui s’avère totale dès 14 jours. La progression du front de carbonatation du C2 E67 est très rapide, cela est dû à sa forte porosité. La progression de la carbonatation du béton C2 E50 est semblable à celle de C1 E63. Cela signifie que vis-à-vis de la carbonatation accélérée, augmenter E/C de 0,50 à 0,63 est équivalent à passer du CEM I au CEM II. Les deux paramètres – E/C et type de ciment – sont donc primordiaux.

C1 E35 C2 E35

C1 E50 C2 E50

C1 E63 C2 E67

Figure 5.4: Comparaison de la cinétique de carbonatation suivant l’échéance: 28j, 14j, 7j, 3j, 1j et t0

La Figure 5.5 présente l’évolution de la profondeur de carbonatation des différents bétons en fonction du temps d’exposition. La vitesse de progression du front de carbonatation est d’autant plus importante que le rapport E/C est élevé, c’est bien avec E/C = 0,67 que la cinétique de la carbonatation est la plus élevée.

Au bout de 14 jours, le béton C2 E67 se carbonate totalement. Cette carbonatation rapide est due essentiellement à la valeur importante du rapport E/C qui influe sur la porosité et par la suite sur sa perméabilité. Par contre, le C2 E50 s’est carbonaté entièrement au bout 3 mois. Le C2 E35, qui a le plus faible rapport E/C, voit sa carbonatation croître régulièrement dans le temps tout en restant faible par rapport aux autres.

Le C1 E63 se carbonate entièrement au bout de 3 mois. Le front de carbonatation du C1 E50 atteint un peu plus que la moitié de son épaisseur au bout de 3 mois. Le C1 E35 apparaît non carbonaté même après 3 mois de carbonatation accélérée.

Les bétons C2 E35 et C1 E50 présentent une évolution du front de carbonatation quasi-similaire à toutes les échéances, ce qui démontre bien l’équivalence du poids des paramètres

« rapport E/C » et « type de ciment » sur la cinétique de carbonatation.

La profondeur de carbonatation du béton C2 E67 est 1,7 fois plus grande que celle du béton C1 E63 pour toutes les échéances à l’exception de 3 mois. En effet, à cette dernière échéance, la totalité de l’échantillon est carbonatée pour les deux bétons. L’épaisseur carbonatée du béton C2 E50 est 2 fois plus importante que celle du béton C1 E50 jusqu’au 14 ème jour.

Globalement, ces chiffres montrent que la cinétique de carbonatation des bétons à base de CEM II est environ deux fois plus rapide que celle des bétons à base de CEM I.

D’après les modèles de la carbonatation, l’évolution de l’épaisseur carbonatée suit une loi en racine carrée du temps [8], [9]. Pour nos bétons, les profondeurs mesurées dans le temps ne forment pas en toute rigueur un segment de droite (cf. Figure 5.4). Cette observation semble trouver appui dans quelques données expérimentales de la littérature. Baron et Ollivier (1992) [10] pensent que la fluctuation dans les courbes est liée au degré de précision des mesures expérimentales et à la subjectivité de l’appréciation du virage coloré.

Al-Akchar [11] estime que la cinétique de carbonatation accélérée n’obéit pas à une loi en racine carrée du temps. Il associe l’incurvation de la courbe de cinétique du front de carbonatation à l’appauvrissement en dioxyde de carbone du matériau par réactions chimiques

de carbonatation. Ainsi, il ne s’agirait pas d’un processus simple de diffusion qui suivrait une cinétique en racine carrée du temps.

0 1 2 3 4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Racine carrée du tem ps (jours^1/2)

Profondeur de carbonatation (cm)

C1 E35 C1 E50 C1 E63

C2 E35 C2 E50 C2 E67

Figure 5.5: Profondeur de carbonatation mesurée par projection de phénophtaléine pour les bétons d’étude (partie cœur)

Le rapport de cinétique entre la carbonatation des bétons composés de CEM II et CEM I est associé à la plus faible teneur de la portlandite du CEM II. Il résulte qu’une plus petite quantité de CO2 est nécessaire pour consommer la portlandite. Ces résultats sont en accord avec les résultats d’Al-Akchar [12], qui observe une vitesse de progression du front de carbonatation plus importante dans le ciment composé que dans les ciments Portland purs.

L’utilisation d’un CEM I 42,5 et d’un rapport E/C = 0,35 (C1 E35) a permis d’obtenir un béton à hautes performances : résistant et durable vis-à-vis de la carbonatation. Ce résultat peut s’expliquer par sa bonne compacité, qui réduit la pénétration du CO2, et la forte réserve en Ca(OH)2.

La Figure 5.6 nous montre que l’ajout d’un superplastifiant n’influe pas sur la cinétique de la carbonatation. Aucune différence significative n’est à noter entre le C1 E50 avec et sans adjuvant.

0

Figure 5.6: Comparaison de la profondeur de carbonatation d’un béton avec superplastifiant et d’un même béton sans superplastifiant

La Figure 5.7 nous montre l’évolution des fronts de carbonatation en fonction de la résistance à la compression des différents bétons d’étude à 28 jours. Nous observons que plus la résistance augmente plus le front de carbonatation est faible, sauf pour le béton C1 E35 où nous n’observons aucun signe de carbonatation; cela est dû à sa bonne compacité.

0

47,3 36,2 29,97 22,9 25,8 16,6

resistance à la com pression à 28 j (Mpa)

profondeur de carbonatation(cm)

Figure 5.7: Evolution de la profondeur de carbonatation en fonction de la résistance à la compression

Comparaison béton de fond / béton de cœur

Les faces situées au fond du moule sont plus compactes, donc légèrement moins sensibles à la carbonatation que les faces situées au cœur, surtout pour les bétons à E/C élevé (cf. Tableau 5.2). D’après les travaux de Miragliotta [12], les faces situées au fond du moule ont un rapport

E/C plus faible que le béton de masse et elles sont moins poreuses et plus riches en granulats que le béton de masse.

Tableau 5.2: Tableau récapitulatif des profondeurs de carbonatation des différents bétons de fond

La Figure 5.8 permet de visualiser les différences de comportement entre les bétons de cœur et les bétons de fond. Cette différence est ténue, mais toujours en faveur du béton de fond.

F C F C F C F C

Figure 5.8: Quelques exemples de comparaison entre béton de fond (F) et béton de cœur (C)