Chapitre 1 : Connaissances préliminaires – Etat de l’art
C. La carbonatation
C.3. Facteurs influents liés au process de fabrication
Certains facteurs influençant la carbonatation sont particuliers au domaine de la préfabrication [136]. Les principaux que nous allons détailler sont la mise en œuvre, le traitement thermique et la cure.
C.3.1. La mise en œuvre
La plupart des bétons sont constitués d'un mélange de matériaux et de grains de différentes tailles dont l'organisation et l'assemblage nécessitent un apport d'énergie extérieur : la vibration.
Cette technique de "tassement" du matériau lui confère une compacité maximale par élimination des vides d'air, optimise le remplissage des moules et agit efficacement en limitant les frottements internes des grains. Durant la mise en place du béton, une partie des granulats vient s'immobiliser contre les parois du moule. Ce desserrement local de l'empilement granulaire proche d'une paroi, appelé aussi "effet de paroi", dû aux granulats qui ne peuvent se déplacer que dans des directions sensiblement parallèles conditionne en partie la microstructure du béton de peau. En effet, au cours de la vibration, le centre des gros granulats ne peut pas s'approcher de plus près des parois du moule que de leur rayon
r. Le volume occupé par le vide entre les gros granulats près des obstacles est donc plus important que dans le béton de masse (figure 1.14). De ce fait, les zones proches des parois sont admises comme étant plus riches en particules fines [57].
Les travaux menés par SADOUKI [57] et KREIJGER [58] ont montré que l'effet de paroi est à l'origine d'une hétérogénéité structurelle en terme de résistance, de déformabilité et de retrait. Les premiers essais visant à déterminer les propriétés de la peau du béton indiquèrent une chute de 17 % du module d'élasticité dynamique en allant de l'intérieur à la surface du matériau. Parallèlement, il était observé une augmentation de la porosité estimée à 21 % [57].
Figure 1.14 : Effet de paroi au voisinage d'un coffrage [57].
Par le passé, VENUAT et ALEXANDRE [59] avaient relevé des épaisseurs carbonatées plus élevées sur les faces arasées que les faces opposées d'éprouvettes prismatiques de pâtes de ciment soumises à la carbonatation naturelle. Ils attribuèrent ce comportement à des phénomènes d'hétérogénéités du matériau sans toutefois en préciser les origines.
Il est évident que ce changement des propriétés, très brutal sur les premières couches superficielles peut jouer un rôle déterminant dans les processus de dégradation de la surface d'un béton. Selon SADOUKI [57], les zones soumises à l'effet de paroi se distinguent du béton de masse par une porosité plus élevée qui peut contribuer à une pénétration plus rapide de l'eau, du dioxyde de carbone ou d'autres agents agressifs de l'air dans le matériau, et augmenter ainsi la vitesse des réactions chimiques dans les zones surfaciques.
Par ailleurs, les travaux de MIRAGLIOTTA [81] ont montré que les effets de paroi sont à l’origine des différentes cinétiques de carbonatation des bétons, notamment entre les faces arasées et moulées.
C.3.2. Le traitement thermique
Les propriétés et le comportement du béton sont largement influencés par les traitements auxquels ils sont soumis au cours de leurs premières heures de durcissement.
Les différentes propriétés d’un traitement thermique ont été montrées dans la partie B.7. De manière générale, le traitement thermique influence la résistance mécanique du béton. Ceci est confirmé par la figure 1.15 [62].
Figure 1.15 : Evolution des résistances mécaniques d'un béton (E/C = 0,5) pour différentes températures de traitement thermique (rapport = résistance
du béton traité thermiquement pour différentes températures / résistance à 28 jours du béton mis en cure à 21 °C).
Bien que l’on connaisse bien à ce jour l’effet du traitement thermique sur la microstructure et les évolutions de propriété mécanique, l’influence de celle-ci sur la cinétique de carbonatation reste mal connue, nous reviendrons sur ce point dans notre étude expérimentale.
C.3.3. La cure
La cure désigne les conditions appliquées aux bétons pour éviter le départ prématuré ou excessif de l'eau qu'ils contiennent. Une cure permet de maintenir l'eau nécessaire à l'hydratation du ciment. Elle permet également d'éviter certains phénomènes de fissuration. Enfin, elle est nécessaire pour obtenir des performances élevées en peau des bétons, ce qui est le cas pour toutes les propriétés liées à la durabilité : protection des armatures, résistance à la pénétration des chlorures, …
L'objectif d'une cure est de conserver le béton dans des conditions climatiques telles que l’espace intergranulaire de la pâte fraîche (pores capillaires) soit au maximum rempli par les produits d'hydratation.
POWERS [60] et PATEL et al. [61] ont montré que l'hydratation du ciment était fortement réduite lorsque l'humidité relative du milieu ambiant est inférieure à 80 %. La figure 1.16 montre le degré
Age (jours) R ap p o rt d es r és is ta n ce s (% )
d'hydratation du ciment après 6 mois de cure à différentes humidités relatives. On constate bien que le degré d'hydratation est lent pour des humidités relatives inférieures à 0,8. Il devient négligeable pour des humidités relatives inférieures à 0,3.
Figure 1.16 : Eau absorbée par la matrice cimentaire exposée pendant 6 mois à différentes humidités relatives.
De même, lorsque le durcissement du béton s'effectue dans l'eau, la figure 1.17 montre un accroissement progressif et continu des résistances mécaniques sur de longues périodes de cure humide [62,63]. La cure favorise l'hydratation du ciment, donc la diminution de la taille des pores dont dépend en partie la résistance mécanique du béton.
Figure 1.17 : Influence de la cure sur la résistance d'un béton de rapport E/C = 0,5.
Humidité Relative E au a b so rb ée p ar l e ci m en t ( g /g ) eau totale eau non-évaporable
Cependant, l’inverse peut se produire si le durcissement s'effectue en contact direct avec l'atmosphère et si aucune précaution n'est prise. En effet, après démoulage et en l'absence de cure, le béton proche de la surface (béton d'enrobage) perd rapidement son eau par dessiccation et l'hydratation associée à cette couche ralentit. Le degré d'hydratation est alors plus faible et la porosité de la pâte plus élevée [64].
C'est pourquoi, l'effet d'une cure prolongée est particulièrement bénéfique pour accroître la résistance du béton à la pénétration d'agents agressifs tels que le dioxyde de carbone.
BALAYSSAC [63] rappelle également qu'une durée de cure de trois jours maximum en laboratoire serait assez proche de celle appliquée sur chantier. NEVILLE [62] rapporte une étude où les profondeurs de carbonatation mesurées sur des éprouvettes de béton avaient été réduites de plus de 40 % par simple prolongation des durées de cure d'un à trois jours. De très nombreux travaux précisent qu'une durée de cure comprise entre trois et sept jours est suffisante pour optimiser la texture du matériau [52,65,66]. Il apparaît donc qu’une cure humide soit extrêmement bénéfique à la résistance à la carbonatation. Le tout est alors de savoir si, lorsque cette cure a lieu en température (process de la préfabrication), elle est davantage bénéfique que n’est néfaste l’augmentation de température.