Effet de la carbonatation

10 15 20 25

C1 E35 C1 E50 C1 E63 C2 E35 C2 E50 C2 E67

Type de béton

Porosité à l'eau (%)

11,82

17,91 18,37

14,51

18,17

20,66

Figure 5.22: Porosité accessible à l’eau des bétons sains

5.4.4.2.2 Effet de la carbonatation

Nous remarquons pour tous les bétons qu’après carbonatation, le volume poreux diminue, comme le montrent la Figure 5.23 et le Tableau 5.7. La diminution est estimée à 3,5 % pour C2 E35, 4,7 % pour C1 E50, 3,3 % pour C2 E50, 2,9 % pour C1 E63 et 1,2 % pour C2 E67.

Cette diminution peut être expliquée par la différence entre les volumes molaires de la portlandite (33 cm³.mol^-1) et de la calcite (37 cm³.mol^-1). Dans ce cas, la réaction relative à la transformation d’une mole de Ca(OH)2 en une mole de CaCO3 par action de CO2 induit un accroissement du volume de la phase solide, donc une diminution de l’espace poreux de 4 cm³.mol^-1).

Nous observons aussi sur la Figure 5.23 que le béton C1 E35 conserve une porosité identique, même après 14 jours de carbonatation, c’est ce qui confirme les résultats obtenus par le test de la pulvérisation de phénolphtaléine. Pour ce béton, les mesures à 28 et 90 jours n’ont pas été faites.

En moyenne, la diminution de porosité par carbonatation est plus importante pour les bétons issus du CEM I que pour les bétons issus du CEM II. Ceci peut être expliqué par la plus grande réserve en portlandite, et donc potentiellement de carbonates formés, des bétons issus du CEM I.

0 5 10 15 20 25

0 20 40 60 80 100

tem ps de carbonatation (j)

porosité à l'eau (%)

C1 E35 C1 E50 C1E63 C2 E35 C2 E50 C2 E67

Figure 5.23: Evolution de la porosité accessible à l’eau de l’état sain et à l’état carbonaté à différentes échéances

Béton E/C Rc (28j) Rc (270j) Φ eau (%) ΔΦ (%)

C1E35 -nc 0,35 47,3 55,0 11,8 -

C1E35 -c 90j -

C2E35 -nc 0,35 36,2 44,1 14,5 3,5

C2E35 -c 90j 11,0

C1E50 -nc 0,50 30,0 34,0 17,9 4,7

C1E50 -c 90j 13,2

C2E50 -nc 0,50 22,9 27,7 18,2 3,3

C2E50 -c 90j 14,9

C1E65 -nc 0,65 25,8 31,6 18,4 2,9

C1E65 -c 90j 15,5

C1E67 -nc 0,67 16,6 20,4 20,7 1,2

C1E67 -c 90j 19,5

nc: non carbonaté c: carbonaté

Tableau 5.7: Influence de la carbonatation sur la porosité à l’eau

Sur la Figure 5.24, nous observons que quel que soit le type de ciment (CEM I ou CEM II) et quel que soit le rapport E/C, la porosité totale des bétons de cœur est plus élevée que celle des bétons de fond. Ceci confirme les résultats du test de la phénolphtaléine ou nous avons trouvé que les bétons de fond se carbonatent moins que les bétons de cœur ainsi que les résultats de Miragliota [12].

0 5 10 15 20

C1E50 C1E63 C2E35 C2E50 C2E67

Type de béton

Porosité accéssible à l'eau (%)

coeur fond

13,24 11,73

15,458 14,53

11,02 10,52

14,92 13,88

19,50 16,60

Figure 5.24: Comparaison entre la porosité à l’eau du béton de cœur et béton de fond après 90 jours de carbonatation

5.5 Conclusions

Carbonatation accélérée

Les résultats confirment que le rapport E/C, qui est un paramètre de formulation du béton gouvernant la porosité, joue un rôle majeur sur la vitesse de carbonatation : plus E/C est élevé, plus la cinétique de carbonatation est élevée. Ceci est attribué directement au rôle joué par la porosité. Nous observons d’ailleurs que la porosité totale est le paramètre le plus pertinent pour déterminer les cinétiques de carbonatation. Cela signifie que la cinétique des différents processus impliqués dans la carbonatation est fonction d’une seule grandeur macroscopique, même si celle-ci regroupe à des plus petites échelles de nombreux paramètres pertinents, comme la distribution de taille des pores, la répartition et l’accessibilité de la portlandite.

De la même manière, le type de ciment joue aussi un rôle majeur. En effet, les bétons à base de CEM II se carbonatent approximativement deux fois plus vite que les bétons à base de CEM I. Cet effet est attribué en partie à la plus faible teneur en portlandite des bétons issus du CEM II, mais surtout à l’impact du type de ciment sur la porosité des bétons. En effet, l’utilisation du CEM II se traduit systématiquement par une hausse de la porosité totale.

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.

L’essai de carbonatation accélérée ne semble pas être applicable aux pâtes de ciment hydratées. Aucun des tests macroscopiques réalisés n’a été capable d’évaluer l’épaisseur carbonatée de ces pâtes de ciment. Des investigations à plus petites échelles sont donc nécessaires.

Comparaison carbonatation naturelle / accélérée

Nous avons observé l’effet d’une carbonatation naturelle réalisée dans les conditions d’un laboratoire (20 ± 2°C et environ 60 % d’humidité relative) durant 1 an, pour des bétons et des pâtes de ciment. Pour le C2 E67 qui a la plus faible résistance à la compression, nous constatons qu’il se carbonate 2,4 fois plus en 1 jour de carbonatation accélérée qu’en 364 jours de carbonatation naturelle. Les résultats montrent que la carbonatation accélérée s’avère en moyenne 40 fois plus rapide que la carbonatation naturelle. Par contre, le béton à haute performance (C1 E35) ne présente aucun signe de carbonatation, quelle que soit la durée de carbonatation et quelles que soient les conditions de carbonatation (naturelle ou accélérée).

Nous constatons que les pâtes de ciment présentent un front de carbonatation significatif lorsqu’elles sont exposées à la carbonatation naturelle alors qu’elles semblent ne pas se carbonater face à la carbonatation accélérée. L’origine de cet effet est à mettre en relation avec la microstructure et la microtexture des pâtes de ciment.

Une explication pourrait résider dans une impossibilité de réguler suffisamment rapidement l’humidité relative au sien des pâtes de ciment, du fait que la quantité d’eau relarguée par carbonatation est relativement importante et le réseau poreux relativement fin. Ainsi, une forte humidité interne sur une épaisseur très faible réduirait fortement la vitesse de diffusion du CO2 dans les pâtes de ciment.

Références bibliographiques

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[2] Essai de carbonatation accélérée. Mesure de l’épaisseur de béton carbonaté. Mode opératoire recommandé par l’AFREM. Compte rendu des journées techniques AFPC-AFREM « Durabilité des bétons »,11et 12 décembre 1997, Toulouse, pp.153-158;

[3] Baroghel-Bouny V., Chaussadent T., Croquette G., Divet L., Gawséwitch J., Godin J., Henry D., Platret G. et Villain G. « Caractéristiques microstructurales et propriétés relatives à la durabilité des bétons -Méthodes de mesures et d’essais de laboratoire, Méthodes d’essai n°58 ».Dans: Techniques et Méthodes des Laboratoires des Ponts et Chaussées, L.C.P.C. Paris, Février 2002, 87p;

[4] Thiery M. « Modélisation de la carbonatation atmosphérique des matériaux cimentaires, prise en compte des effets cinétiques et des modifications microstructurelles et hydriques ». Thèse de doctorat, Paris, LCPC 2005;

[5] Committee TC 56 RILEM. « Measurement of hardened concrete carbonation depth-CPC 18”.

Materials and Structure, 21(126): 453-455, 1988;

[6] Metalssi1.O,Aït-Mokhtar. A., Turcry A., Cauchois Ph., Ruot B.” Conséquences de la carbonatation d’un mortier avec adjuvant organique sur sa microstructure et sa stabilité dimensionnelle »;

[7] Chaussadent T. « Etat des lieux et réflexions sur la carbonatation du béton armé » Septembre 1999;

[8] Bakker (R.F.M). “Model to Calculate the rate of carbonation in concrete under different climatic conditions » ljmuiden ;CEMIJ bv laboratorium ;26 August 1993;

[9] Schiessl P. « Corrosion of steel in concrete » RILEM Report 25-46; Londres, 1988;

[10] Baron J et Ollivier J.P. « La durabilité des bétons », 1992;

[11] Al-Akchar N. « Modélisation de la diffusion gazeuse et du processus de carbonatation dans les pâtes de ciment ». Thèse de doctorat, 1999;

[12] Miragliotta R. « Modélisation des processus physico-chimiques de la carbonatation des bétons préfabriqués - Prise en compte des effets de parois ». Thèse de Doctorat, Université de La Rochelle, 2000;

[13]Sergi G., Yu S.W. et Page C. L. (1992). « Diffusion of chloride and hydroxyl ions in cementitious materials exposed to a saline environment”. Magazine of Concrete Research, 44(158):63-69;

[14] A.F.P.C.-A.F.R.E.M. (1997a). « Détermination de la masse volumique apparente et de la porosité accessible à l’eau ». In : Ollivier, J. P., éditeur : Durabilité des bétons, "Méthodes recommandées pour la mesure des grandeurs associées à la durabilité", pages 121-124. Laboratoire des Matériaux et Durabilité des Constructions (L.M.D.C.);

[15] Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées n° 225, Vieillissement des bétons en milieu naturel : une expérimentation pour le XXIème siècle. Généralités et caractéristiques mécaniques initiales des bétons, pp: 51-65.

[16] Baroghel-Bouny.V « les spécificités des bétons à haute performances » Caractéristiques microstructurales et propriétés relatives à la durabilité évaluées en conditions de laboratoire ou en conditions naturelles.

CHAPITRE 6