Chapitre I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.3 La durabilité
I.3.5 L‟attaque sulfatique
Les phénomènes à l‟origine de l‟attaque sulfatique ne sont pas parfaitement bien connus ni maîtrisés. L‟attaque sulfatique est associée à la précipitation de produits sulfatés secondaires, d‟une expansion importante et de la détérioration chimio-mécanique (modifications des propriétés de transport de la porosité, fissures, perte de résistance et de cohésion,…). Ceci peut conduire à la ruine du matériau cimentaire, à plus ou moins long terme en fonction de l‟attaque (nature, teneur et concentration des sulfates au contact) et du ciment utilisé (type et rapport Eau/Ciment).
On distingue l‟attaque sulfatique interne [45, 46], qui fait intervenir des sulfates déjà présents dans le béton (DEF), de l‟attaque sulfatique externe qui se produit dès lors que les conditions externes sont réunies.
L‟objet de ce paragraphe est de présenter l‟attaque sulfatique externe dont l‟apport en ions sulfates provient du sol.
I.3.5.1 Complexité du phénomène
Les mécanismes fondamentaux d‟altération des bétons par réactions chimiques, ainsi que leurs effets ont été représentés par la Figure I-16 à l‟aide d‟un schéma proposé par Mehta [47]. Ce schéma a été simplifié par Planel pour se focaliser sur l‟attaque sulfatique [48]. Deux réactions y figurent, l‟hydrolyse des hydrates de la pâte de ciment durci et les réactions entraînant la formation des produits expansifs (associés à l‟Attaque au Sulfate de SOdium : ASSO). Néanmoins, les conséquences macroscopiques sont d‟ordre mécanique : chute de résistance et de rigidité, fissuration et déformation du matériau et d‟ordre physico-chimique : perte de résistance, modification de la porosité et des propriétés de transport et formation d‟un hydrate expansif.
L‟attaque sulfatique externe se produit lorsqu‟un matériau cimentaire se trouve en contact direct avec une source de sulfate, comme dans les sols, les eaux souterraines, les eaux d‟infiltration, les pluies acides (acide sulfurique) liées à la pollution industrielle atmosphérique. Elle peut être décrite selon trois processus permettant d‟évaluer l‟agression :
Le transfert dans le milieu poreux des ions sulfates qui est contrôlé par la perméabilité et la diffusivité des matériaux,
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Les réactions chimiques entre les composants de la pâte de ciment, qui dépendent du cimentutilisé, et de l‟apport en ions SO42-,
Le phénomène d‟expansion, résultant de la cristallisation de nouveaux hydrates.
La quantité de sulfates pouvant intervenir dans les réactions dépend de chaque source considérée : lieu, quantité, type.
Figure I-16 : Schéma simplifié des processus de détérioration du béton intervenant lors des attaques sulfatiques (DEP : Dégradation en Eau Pure, ASSO : Attaque au Sulfate de Sodium Na2SO4).
L‟intensité du mécanisme de l‟expansion sulfatique va dépendre :
De la qualité du béton à savoir la composition du ciment, le mode de fabrication, la cure, l‟état d‟endommagement du béton avant l‟attaque ;
De l‟exposition sur le site à savoir la concentration en SO42- et sa distribution dans le sol, l‟humidité, les opportunités de transport ;
Des conditions environnementales et atmosphériques à savoir les changements d‟humidité, la fréquence des intempéries, la température, la surface exposée [49].
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I.3.5.2 Aperçu historique
Cela fait plus de 70 ans que de nombreuses attaques par les sulfates, présents naturellement dans le sous-sol, ont été constatées sur les fondations d‟ouvrages en béton en milieu marin. Les dégradations De ces massifs de fondation sont attribuées en partie à la réaction des sulfates avec les hydrates de la matrice cimentaire.
Dés les années 1950, les premières réglementations en matière de protection des ouvrages contre l‟attaque sulfatique recommandaient l‟utilisation de béton à faible rapport Eau/Ciment, à taux de C3A limité et à ajouts pouzzolaniques. Ces mesures visaient à limiter la quantité d‟aluminates et à ralentir la diffusion des espèces ioniques agressives depuis le milieu externe vers le milieu interne.
Les sulfates qui sont à l‟origine de la destruction des ouvrages en béton peuvent être présents naturellement dans les sous-sols, intégrés dans la préparation du béton ou provenir de l‟industrie (chimique et pétrochimique) suite à une pollution. Les sulfates se trouvent également associés aux alcalins dans les sels (sulfates de sodium, potassium, calcium et magnésium). On trouve aussi, dans le cadre du stockage des déchets radioactifs, des sulfates dans le déchet lui-même, ou dans les eaux de ruissellement ayant traversé des zones sulfatées (eau séléniteuses, eau d‟infiltration, pluies d‟acides,…).
Cinq critères majeurs de recherche dans le domaine de l‟attaque sulfatique ont été définis comme prioritaires par Cohen [50] :
Etablir des tests accélérés d‟attaques sulfatiques, permettant de tester rapidement la résistance des pâtes de ciment vis-à-vis de certains facteurs reconnus et ce de manière normalisée, Etablir une liste d‟indicateurs appropriés à mesurer ou à contrôler pendant les essais d‟attaque
sulfatique,
Etablir des critères qui permettent d‟affirmer de façon claire si le matériau a réussi le test, Etablir une méthodologie systématique pour l‟analyse des données,
Etablir une relation entre la durabilité de la pâte de ciment et celle du béton.
La détérioration des propriétés mécaniques du béton, qu‟elle soit évaluée visuellement, mise en évidence par une décroissance de la résistance du matériau ou encore par des mesures d‟expansion volumique, est la conséquence des réactions chimiques et des modifications micro-structurales causées par l‟attaque sulfatique. Il apparaît alors primordial de réaliser un contrôle des propriétés
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chimiques du matériau soumis à une attaque aux sulfates mais aussi de le faire avant que la détérioration de celui-ci ne soit trop avancée (i.e. forte expansion).I.3.5.3 Principales techniques expérimentales
Les techniques d‟analyse utilisées dans le cadre d‟une étude de la durabilité des bétons peuvent être divisées en deux catégories : macroscopiques et microscopiques.
Techniques macroscopiques :
Variation de la masse : un gonflement se traduit par un gain de masse tandis qu‟une perte de matière par ruine fait chuter brutalement la masse.
La mesure de l‟allongement (expansion) : c‟est le paramètre qui démontre sans équivoque l‟existence d‟un gonflement. N‟est mesurable que sur les échantillons équipés de plots, c‟est-à-dire les mortiers.
Mesure de la vitesse de propagation du son : permet d‟évaluer de manière non destructive l‟évolution des propriétés mécaniques du béton puisque la vitesse est corrélée au module dynamique. Une chute du module dynamique traduit un endommagement global du béton. Porosité à l‟eau : c‟est le premier paramètre qui gouverne la résistance et la perméabilité des
bétons. Cette mesure permet donc d‟identifier à priori les bétons les plus durables.
La mesure de la résistance à la compression et à la traction : mesure les propriétés mécaniques des bétons et des mortiers, notamment leur évolution au cours de l‟exposition à l‟environnement agressif.
Contrôle visuel de la fissuration : évalue le degré d‟endommagement de l‟échantillon testé, aide au diagnostic de l‟altération [48].
Techniques microscopiques :
La microscopie électronique à balayage (MEB) avec microsonde EDS : identifie les modifications de la microstructure et de la microtexture des bétons et des mortiers.. Cet outil permet de réaliser le diagnostic de l‟altération.
Analyse thermogravimétrique (ATG) : mesure quantitative des composants majeurs des matériaux.
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