a Durabilité des bétons

Le béton est un matériau durable qui offre une résistance remarquable aux agressions lorsqu’il est correctement dosé et mis en œuvre [REGOURD 1982]. D’une façon générale, il faut considérer que le béton sera en interaction avec l’environnement car c’est un matériau poreux et les conditions de stabilité thermodynamique de ses minéraux sont bien différentes de celles d’un environnement usuel [MORANVILLE 2003]. Pour évaluer la durabilité "potentielle" d'un béton, il est nécessaire de connaître les mécanismes susceptibles de conduire à sa dégradation, et d'étudier la résistance du matériau vis-à-vis de ces dégradations. Si l'on exclut, d'une part les événements accidentels, et d'autre part les effets à long terme des sollicitations mécaniques, tels que la fatigue due à des sollicitations répétées ou le fluage pouvant engendrer des pertes de précontrainte ou encore l'abrasion, la durée de vie des ouvrages en béton armé ou précontraint peut être limitée par [AFGC 2004]:

• la pénétration d'agents agressifs qui peut conduire à l'amorçage (et au développement) du processus de corrosion des armatures,

• les réactions chimiques internes, mettant en jeu des espèces issues du milieu environnant ou déjà présentes dans le matériau, telles que l'alcali-réaction ou les attaques sulfatiques, sources de gonflement et de fissuration du béton,

• les cycles de gel-dégel qui entraînent gonflements et fissuration du béton par gel interne et un écaillage des surfaces exposées aux sels (de déverglaçage).

Tous ces processus sont complexes et font intervenir des mécanismes dépendant dans une très large mesure des constituants du matériau et des moyens de mise en œuvre: granulat, type de liant, quantité d’eau, utilisation d’entraineur d’air, conditions de cure, agressivité de l’environnement auquel est exposé le matériau. Lors de la rédaction du guide AFGC sur les

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

sulfatiques, cycles de gel-dégel et environnements chimiquement agressifs) n’ont d’ailleurs pas été traités : « l’état des connaissances au moment de la rédaction du guide ne permet […] pas de disposer de l’ensemble des paramètres prépondérants vis-à-vis de ces processus, ni de méthodes validées permettant de les quantifier, et donc des outils indispensables au développement d’une méthodologie générale ».

L’étude menée sur les matériaux substitués par les sédiments et présentée ci-après, n’a pas pour prétention de caractériser en totalité la durabilité de ces matériaux ni d’en expliquer tous les mécanismes. Nous nous sommes contentés d’évaluer certains paramètres pouvant servir d’indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité, retrait) et d’observer le comportement des matériaux exposés à diverses ambiances agressives (eau de mer, gel/dégel). Celles-ci ont été choisies en fonction des voies de valorisation les plus probables envisagées après les premiers résultats d’essais. L’objectif était simplement de comparer les matériaux substitués et les matériaux de référence afin de mettre à jour un éventuel problème de durabilité susceptible de représenter une contre-indication forte à une voie de valorisation. Les résultats présentés feront l’objet d’une interprétation, mais comme nous le verrons plus tard, de nombreux tests complémentaires seraient nécessaires pour améliorer nos connaissances.

4.1.b Les mécanismes de dégradation des bétons.

4.1.b.i. Rappel sur la structure de la pâte de ciment

Le ciment Portland est un mélange de silicates et d'aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux CaO (80%) avec la silice SiO2, l'alumine Al2O3 et l'oxyde de fer Fe2O3 (20%). La chaux nécessaire est généralement apportée par les roches carbonatées (calcaires). La silice, l'alumine et l'oxyde de fer sont fournis par les argiles. Le principe consiste à chauffer dans un four le mélange intime de calcaire et d'argile pour décarbonater le calcaire et faire réagir la chaux ainsi libérée sur les éléments argileux pour obtenir les silicates tri- et bi-calciques (C3S (alite), C2S (bélite)), les aluminates et les aluminoferrites de chaux (C3A, C4AF). A 1450°C, le produit obtenu est le " clinker " ensuite refroidi. Ce sont les silicates qui, par réaction avec l'eau, donnent les C-S-H, responsables de la prise du ciment : C3S ou C2S à C-S-H + Ca(OH)2 (Ca(OH)2 en excès = portlandite). Pour régulariser la prise du clinker, on y ajoute environ de 3% à 6% de gypse. Les notations utilisées par les cimentiers sont les suivantes :

• C = CaO, • S = SiO2, • A = Al2O3, • F = Fe2O3, • H = H2O.

Lors de l’hydratation du ciment plusieurs composés sont créés, plus ou moins cristallisés. A titre d’exemple, dans une pâte de ciment hydratée de rapport E/C 0.5, se trouvent [YURTDAS 2003]:

• 56% de silicates de calcium hydratés (C-S-H), • 20% de portlandite (C-H),

• 15% de sulfoaluminates, • 7% d’eau,

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

Le principal constituant de la pâte de ciment est donc, avec la portlandite, les C-S-H. Celui-ci est la « colle » qui tient ensemble les grains de sable d’un mortier ou les granulats d’un béton. Une représentation schématique de la structure d’une pâte de ciment hydratée est présentée dans la figure 4-1.

Figure 4-1:Représentation schématique de la pâte de ciment hydraté [tiré de Pigeon 1981 Composition et hydratation du ciment Portland, Séminaire progrès dans le domaine du béton, Québec, septembre 1981, p. 36-72](source de l’illustration

[GAGNE 2004]).

Les C-S-H occupent entre 50% et 60% du volume solide d'une pâte de ciment complètement hydratée. Le C-S-H est un gel solide qui a les propriétés d'un corps solide. Il a une structure en feuillet, formée de cristaux très petits et mal cristallisés. La surface spécifique des C-S-H est très élevée (100 à 700 m²/g). La cohésion des C-S-H est due, en partie, aux forces de Van der Walls entre les particules colloïdales des C-S-H. Le pH de la solution interstitielle contenant les C-S-H est très alcalin (voisin de 13). À des pH plus faibles, il peut y avoir lixiviation des ions Ca²⁺. Les C-S-H subissent alors des transformations qui peuvent augmenter leur porosité et diminuer les propriétés mécaniques.

Le gel de C-S-H est poreux. Les pores de gel, sont en fait les espaces qui contiennent de l'eau adsorbée sur les surfaces entre les feuillets. Ils sont très petits (20Å à 30Å). La porosité du gel de C-S-H représente environ 28% du volume total du gel. L'eau des pores de gel n'est pas "libre" car elle est fortement retenue sur les feuillets par des forces de surface. Puisque les pores de gel sont extrêmement fins, ils contribuent très peu à la perméabilité de la pâte et du béton. La figure 4-2 illustre l’étendue de l’échelle de la taille des pores et des solides

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

constituant une pâte de ciment : les plus petits vides du béton sont 1 million de fois plus petits que les plus gros.

Figure 4-2:Échelle de la taille des solides et des pores dans la pâte de ciment hydraté. [tiré de Metha, 1986 Concrete structure, properties, and materials, Prentice-Hall, 450 p.](Source illustration [GAGNE 2004]).

4.1.b.ii. Les cycles de gel-dégel

Introduction

L’action du gel, et plus spécialement de l’alternance de cycles gel-dégel, peut provoquer d’importants désordres dans les matériaux, liés :

• Soit à l’application simultanée de sels de déverglaçage qui provoquent un écaillage de surface,

• Soit au mécanisme de gel interne qui induit une fissuration dans la masse du béton. La complexité des phénomènes mis en jeu, faisant intervenir des mécanismes physiques et chimiques, permet de comprendre pourquoi il n’existe actuellement pas de théorie permettant, à elle seule, d’expliquer les comportements observés in situ. Cette difficulté est liée à la complexité structurale de la pâte de ciment. A. Carles-Gibergues et M. Pigeon [CARLES 1992] expliquent cette complexité par :

• Le spectre de porosité de la pâte hydratée (elle s’étend des fissures accidentelles centimétriques, aux pores internes de C-S-H de quelques dixièmes de nanomètres),

• L’évolution continuelle des parois des discontinuités avec le déroulement du processus d’hydratation,

• La nature du fluide remplissant la porosité : multiphasique (liquide, vapeur et même solide en cas de gel) et riche en éléments dissous.

Toujours selon ces auteurs, le déséquilibre thermodynamique résultant de la progression d’un front de gel (ou de dégel) dans le béton, va créer dans ce dernier des phénomènes très divers qui relèvent, pour l’essentiel :

• De transports de natures variées : diffusion, perméabilité ; • De processus de nucléation ;

• De pressions osmotiques (concentrations variant localement suite aux distillations par gel localisé) ;

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

• De dessiccation d’une pâte poreuse (par suite de la migration de l’eau des plus petits pores vers les plus grands) qui subit alors un retrait ou qui devient le siège de contraintes internes ;

• De modifications du rapport phase liante anhydre/phase hydratée (soit par reprise d’hydratation, soit par dissolution d’hydrates existants).

Les causes : expérience et théories

Il est en revanche bien établi que les détériorations des matériaux cimentaires ne sont pas directement dues à l’augmentation du volume d’eau en gelant (+9%). L’augmentation de volume observée sur les échantillons soumis au gel n’est pas directement liée à la baisse de la température sous zéro degrés, mais à la vitesse à laquelle cette baisse se produit. En effet, la thermodynamique montre que si cette baisse était suffisamment lente, la glace devrait se former à l’extérieur de l’échantillon, entraînant une contraction du matériau lié au départ de l’eau. La redistribution de l’eau des pores avec l’arrivée du front de gel provoque l’apparition de contraintes responsables de la fissuration du matériau. Plus que tout, c’est la répétition des cycles de gel/dégel qui modifie la structure de la pâte (par exemple, dissolution de la portlandite qui se recristallise dans les vides remplis d’air, déchaussement des granulats, cristallisation d’ettringite secondaire) et crée les désordres.

Plusieurs paramètres jouent sur le phénomène de gel. La température à laquelle l’eau gèle dans un pore est directement liée à la taille des pores. La figure 4-3 illustre la relation liant température de fusion de la glace et rayon des pores.

Figure 4-3: Abaissement de la température de fusion de la glace (eau pure) avec la diminution du rayon des pores [CARLES 1992].

La teneur en eau du matériau est également un paramètre primordial pour la durabilité du béton. Comme l’explique J.C. Maso ([MASO 1967] cité par [CARLES 1992]), le seuil de non gélivité observé sur les mortiers, peut être attribué à la présence de vides remplis d’une phase gazeuse. Ces vides agiraient alors comme des réservoirs tampons permettant à la glace de croître sans exercer de pression sur la pâte, à la condition que la vitesse de congélation soit suffisamment faible. On admet alors que la résistance d’une pâte de ciment sera bonne si le rapport de la quantité d’eau liquide au volume de la porosité est inférieur à 0.9 : degré de saturation critique.

Il existe plusieurs théories et modèles pouvant décrire l'effet des cycles de gel/dégel sur l'endommagement d'une matrice cimentaire. Tous n'expliquent pas entièrement les causes et

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

effets du gel, mais chacun couvre, au moins un domaine de ce vaste problème, de sorte que par leur complémentarité, certains phénomènes peuvent être interprétés [GIRODET 1996].

La théorie des pressions hydrauliques de Powers (1949), explique que, lors du gel de l'eau et à cause de l'augmentation consécutive de 9% de son volume, la glace en formation expulse l'eau des pores capillaires créant ainsi une pression hydraulique en relation directe avec la longueur du trajet à parcourir jusqu'au prochain vide susceptible d'accepter l'eau et avec la perméabilité de la pâte. En appliquant la loi de Darcy a une configuration idéalisée (vides sphériques et répartis régulièrement), Powers a conclu que le chemin Lmax à parcourir devrait être proportionnel à (K.T)/(U.R), où K est le coefficient de perméabilité de la pâte de ciment, T, la résistance à la traction de la pâte, U, la quantité d'eau gelable lorsque la température s'abaisse de 1°C, et R, la vitesse de refroidissement.

Si l'eau doit parcourir un chemin plus grand que Lmax, alors la pression hydraulique engendrée est trop importante pour être supportée par la pâte cimentaire; cette dernière se fissure. Cette théorie est à la base des calculs donnant la répartition favorable du réseau de bulles d'air pour obtenir la résistance au gel-dégel. Cependant, la formule donnant Lmax proportionnel à KT/UR est insuffisante lorsqu'on parle de perméabilité : en effet, une perméabilité K faible est souvent liée à une quantité d'eau gelable U faible, mais ces deux paramètres agissent en sens inverse sur Lmax. Le deuxième problème de cette théorie est qu'elle considère que l'eau est expulsée des capillaires lors du gel, alors qu'au contraire, il semble que l'eau passe des pores des silicates de calcium hydratés (C-S-H) vers les pores capillaires ([CARLES 1992], [GIRODET 1996]).

Powers a donc proposé une seconde théorie, avec Helmuth, en 1953, pour modéliser de façon plus exacte les phénomènes de gel. C'est la théorie des pressions osmotiques. La base de cette théorie repose sur le fait que l'eau contenue dans la pâte de ciment gèle à des températures d'autant plus basses que les pores sont petits. Le gel occupe donc d'abord les pores les plus gros. Cependant, comme l'eau n'est pas pure mais contient des sels, il se produit une séparation entre la glace (eau pure) et une solution aqueuse plus concentrée. L'eau contenue dans les pores voisins (plus petits car encore non gelés) va migrer par osmose pour rétablir l'équilibre des concentrations. Ces mouvements vont créer des pressions dites osmotiques. Cette théorie explique bien les phénomènes de gel en présence de sels de déverglaçage.

Enfin, les concepts de la thermodynamique classique ont été utilisés par divers auteurs, pour expliquer le comportement au gel des bétons. Selon ces théories, l’eau des pores de C-S-H (même si elle ne gèle pas au dessus de -78°C), acquiert une énergie potentielle supérieure à celle de la glace lorsque la température baisse. Ce déséquilibre pousse l’eau non gelée vers les cristaux déjà formés dans les plus gros pores. Les mouvements créent des tensions d’autant plus fortes que le trajet est long et la vitesse de refroidissement élevée. Ces théories sont plus satisfaisantes pour expliquer les causes premières des mouvements de l’eau et la dessiccation produite par le gel.

Chaque cycle de gel/dégel provoque une migration de l’eau vers les zones où elle peut geler. Ces zones de gel comprennent de fines fissures qui s’élargissent sous l’effet de la pression de la glace et ne se referment pas lors du dégel. Elles se remplissent ensuite d’eau. A chaque nouveau cycle de gel/dégel se répète l’évolution de la pression qui contribue à aggraver les désordres.

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

Les granulats

La théorie des pressions hydrauliques permet d’expliquer la gélivité des granulats et l’influence de leur dimension : il apparaît alors la notion de dimension critique. Le caractère gélif d’un granulat est lié:

• A ses caractéristiques texturales (perméabilité et porosité); • A son indice de saturation ;

• A la dimension des grains ;

• A la qualité de la pâte qui l’entoure et commande l’absorption et la désorption du granulat.

Ainsi, si un granulat même légèrement poreux, gèle dans un béton alors qu’il est saturé, il apparaît des pressions hydrauliques (au sens de Powers) provoquant l’apparition de contraintes. A vitesse de refroidissement et perméabilité de granulat donnés, il existe une longueur de trajet maximale que peut parcourir l’eau sans que les pressions hydrauliques engendrées n’excèdent la résistance à la traction des granulats, définissant ainsi la dimension critique de granulat. Le volume et la distribution porosimétrique influent fortement sur le caractère gélif d’un granulat (vitesse d’absorption/désorption et degré de saturation atteint dans un béton). Les granulats les plus sensibles sont généralement très poreux et formés de pores très fins.

L’interaction entre pâte et granulat a également un impact sur la gélivité du béton. En effet, un granulat poreux, susceptible de relâcher beaucoup d’eau sous la pression du gel, sera plus ou moins néfaste pour le béton suivant la qualité de la pâte. Une pâte de bonne qualité et très compacte ne pourra pas accueillir facilement l’eau provenant des granulats, même si elle contient de l’air entraîné.

Ces phénomènes se manifestent avec plus d’intensité en surface provoquant l’apparition de cratères (« popouts »), comme l’illustre la figure 4-4

Figure 4-4: formation de « popouts » à la surface d’un béton dû à la présence de granulats gélifs ([CARLES 1992]). Le rôle des sels

On a généralement recours aux sels fondants pour assurer la praticabilité d’axes de circulation. Des éléments en béton (mobilier urbain, tablier de ponts, bordures de trottoirs) peuvent alors être exposés à ces composés. Les dégradations observées ont justifié les études sur les mécanismes d’attaque des matériaux cimentaires par les sels. Ces désordres apparaissent préférentiellement sous forme d’écaillage de la peau du béton. Selon A. Carles-Gibergues et M. Pigeon [CARLES 1992], la sévérité des dommages résultant de l’action combinée des cycles de gel/dégel et des sels fondants est due, d’une part à la nature de la peau

AGOSTINI Franck Chapitre IV: Durabilité des mortiers

Ecole Centrale de Lille substitués par des sédiments traités

l’application des sels fondants provoque des chocs thermiques et crée des gradients de concentration saline. Ces gradients accroissent le phénomène d’osmose et provoquent un gel par couche (en raison des températures de fusion différentes entre une eau pure et une eau chargée en sels) créant des contraintes susceptibles de provoquer des fissurations.

Les pressions de cristallisation

La croissance de cristaux de sels dans les plus gros pores pourrait également être responsable de l’apparition de contraintes. L’apparition de cristaux nécessite la sursaturation de la solution contenue dans le pore. Cet état peut être atteint soit par évaporation soit par gel de l’eau pure. Comme cela a été dit précédemment, dans le cas du gel/dégel, une partie du système poreux subit à la fois un gel et une dessiccation importante. La formation de cristaux de sels débuterait dans les plus gros pores, lorsque la solution devient sursaturée. De façon analogue aux mouvements d’eau, se mettrait ensuite en place un transport d’ions depuis des pores plus petits vers les gros pores, alimentant la croissance des cristaux jusqu’à provoquer l’apparition de contraintes sur la pâte de ciment ([HARNIK 1979] cité par [RØNNING 2001]).

D’autre part, certains auteurs, suggèrent que l’instabilité chimique de certains mono-sulfates, en se transformant en ettringite croissant dans des volumes confinés, peuvent être la cause de désordres lors de cycles de gel/dégel. Ils ont démontré la relation existant entre la quantité de C3A présente dans un ciment Portland et la quantité d’ettringite nocive produite par les cycles de gel/dégel ([STARK 1993, 1996] cités par [RØNNING 2001]).

Réalisation d’un béton résistant

Il ressort de ces études et de l’expérience acquise sur le terrain qu’un béton durable doit être peu perméable pour éviter de se faire saturer par des sels fondants, voir un degré de saturation faible, et enfin, avoir une résistance mécanique, et spécialement de traction, élevée.

Le soin apporté aux conditions de maturation est également très important, puisqu’il apporte un gain de qualité au matériau, notamment au niveau de sa peau, garantissant une protection accrue à la pénétration des sels, une meilleure résistance mécanique et une teneur en eau gelable réduite (par augmentation de la compacité).

Le recours à un réseau de bulles d’air entraîné favorise grandement la résistance du béton aux conditions hivernales, à partir du moment où celui-ci est correctement formulé et réalisé. Le volume d’air entraîné et le facteur d’espacement sont les paramètres les plus importants. Le facteur d’espacement, noté L, définissant la demi-distance séparant les parois de deux bulles voisines d’un réseau supposé régulier, est généralement de l’ordre de 200 à