Carbonatation des constituants du béton

La carbonatation est un processus physico-chimique complexe qui met en jeu des réactants et réactifs à l’état gazeux (CO2, H2O), dissous (CO2, OH^- , etc…) et solides (les composés anhydres et hydratés du béton).

3.4.1 Carbonatation de la portlandite: Ca(OH)2

La portlandite opère un effet tampon en maintenant le pH autour de 13, alors que cet hydrate n’a que peu d’importance du point de vue de la résistance mécanique. Cette caractéristique chimique lui confère un rôle fondamental dans le maintien de la durabilité des bétons.

Le passage en solution du CO2 suivant les réactions (3.1), (3.2), (3.3) entraîne une baisse de la concentration en ions OH^- dans la solution interstitielle des pores, ce qui réduit le pH pour rétablir la basicité du milieu.

La portlandite joue un rôle déterminant vis-à-vis des réactions de carbonatation par l’intermédiaire des ions hydroxyles qui se forment en solution suite à sa dissolution. Cette dissolution se manifeste en général en deux étapes d’ionisation :

Ca (OH)2 ↔ Ca OH⁺ + OH-

Equation 3.5

Ca OH⁺ ↔ Ca²⁺ + OH^- Equation 3.6

D’après Hoyle [17] et Shakhashiri [18], l’ionisation de la portlandite est totale dans un matériau cimentaire, c’est-à-dire que les molécules de la portlandite solide n’existent pas dans la solution interstitielle du matériau cimentaire, car elles passent directement de la phase solide à la phase ionisée sous forme de trois espèces ioniques: CaOH⁺, Ca²⁺, OH^-. L’équilibre chimique entre ces trois espèces reste maintenu dans la solution, il est décrit par l’équation suivante :

[Ca²⁺] [OH^-] = [CaOH⁺] kCaOH+ Equation 3.7

où : [Ca²⁺], [OH^-] et [CaOH⁺] expriment les activités des ions considérés.

La valeur de la constante d’équilibre à 20° C et 10⁵ Pa est égale à : kCAOH+ = 5.10^-2 [17]

Les ions calcium ainsi libérés précipitent avec les ions carbonates suivant la réaction 3.8 pour former du carbonate de calcium CaCO3.

Ca²⁺ + CO32- → CaCO3 Equation 3.8

La Figure 3.5 illustre l’intervention combinée des trois phases : gazeuse, aqueuse et solide au cours du processus de carbonatation de la portlandite. Dans le cadre d’une approche simplifiée, le mécanisme réactionnel de carbonatation de Ca(OH)2 est synthétisé par la réaction chimique suivante :

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Equation 3. 9

L’inconvénient de cette formulation est qu’elle masque toutes les étapes intermédiaires du mécanisme. En revanche, elle a l’avantage d’indiquer que la carbonatation de la portlandite s’accompagne globalement d’une libération d’eau de structure [12].

Au-delà d’un certain degré de carbonatation, l’acide carbonique forme par dissociation des ions carbonates qui, à leur tour, par réaction avec la portlandite, forment de la calcite :

CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca (HCO3)2 Equation 3.10

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O Equation 3.11

D’aprés Cowie et Glasser (1992) [20], le complexe Ca(HCO3)2 est minoritaire dans les matériaux cimentaires carbonatés car, contrairement au carbonate de calcium, le bicarbonate de calcium n’existe pas en solide et ne peut pas précipiter.

Figure 3.5: Mécanisme de carbonatation de Ca(OH)2 [12].

3.4.1.1 Solubilité du Ca(OH)2

Fratini [22] estime que la solution se trouvant dans les pores des pâtes de ciment durcies contient essentiellement des hydroxydes alcalins. En effet, la solubilité de Ca(OH)2 diminue fortement lorsque la concentration en ions hydroxyles augmente. Par exemple à 20°C, la solubilité de Ca(OH)2 est de 0,15 g/l dans une solution 0,2 M de NaOH ou KOH, alors qu’elle est de 1,2g/l dans l’eau pure. D’après Longuet [23], pour une concentration en hydroxyles de 0,5 M, la solubilité de Ca(OH)2 est environ 0,003 g/l.

Les travaux de Longuet et al. [24] sur les pâtes de ciment montrent qu’après les premières heures d’hydratation et jusqu’à quelques jours, la solution interstitielle est saturée de Ca(OH)2, cette solution reste saturée jusqu’à 2 ou 3 mois.

3.4.2 Carbonatation des C-S-H

Les C-S-H, qui représentent la phase hydratée la plus importante dans la pâte de ciment, confèrent au matériau béton l’essentiel de sa résistance mécanique. En revanche, leur pouvoir tampon sur le pH de la solution est plus faible que celui de Ca(OH)2, donc leur prise en compte dans le mécanisme de carbonatation n’est pas primordial. Néanmoins, la carbonatation des C-S-H induit des modifications importantes de la microstructure, en donnant naissance à des carbonates de calcium, au gel de silice amorphe [25], [26] et éventuellement à de l’eau libre.

CXSYHZ + xH2CO3 → x Ca CO3 + y SiO2 . tH2O + (x- t + z) H2O Equation 3.12

D’autres auteurs [27] proposent la même réaction mais sans production d’eau. Groves et al.

[28], qui ont étudié le mécanisme de carbonatation accélérée des C-S-H présents dans des pâtes hydratées de C3S en utilisant plusieurs techniques tels que la DRX, l’ATG et le MET, montrent que :

- le C-S-H externe carbonaté garde une structure fibreuse, mais ces fibres sont constituées de silice micro-poreuse noyée dans des microcristaux de carbonate de calcium.

- le C-S-H interne devient non homogène et se transforme en un gel micro-poreux très riche en silice.

- en utilisant la RMN, ils constatent que les C-S-H évoluent progressivement au cours de leur carbonatation avec un retrait de calcium et une polymérisation des silicates, jusqu’à donner naissance à un gel de C-S-H pauvre en calcium qui se transforme au dernier stade en un gel de silice.

Par contre, Groves et al. observent qu’après 2 mois de carbonatation naturelle, les C-S-H continuent à se polymériser à un degré élevé mais sans formation de gel de silice. La structure des C-S-H est conservée malgré leur décalcification, ce qui pourrait être à l’origine de la conservation des propriétés mécaniques des pâtes carbonatées [21]. Matsusato et al.

considèrent que la carbonatation des C-S-H progresse de façon concurrente avec celle de la portlandite. Nakamura et Kohmo précisent que la carbonatation de la portlandite se produit avant celle des autres hydrates [9].