Pénétration des ions chlorures dans le béton

Une concentration critique des ions chlorures déclenche la dépassivation des armatures et conduit à la corrosion des armatures du béton [Nguyen, 2014], conséquence de l’apparition des fissures conduisant et la ruine des ouvrages qui subissent des attaques aux chlorures. La pénétration des ions chlorure a lieu lorsque le béton est exposé à l’eau de mer ou aux sels de déverglaçage. Les deux principaux mécanismes qui sont à l’origine du phénomène

sont l’absorption capillaire et la diffusion [Rozière, 2007], [Deby, 2008], [Soufi, 2013]. La diffusion se déroule en milieu saturé et découle d’un gradient de concentration en chlorures de la solution qui se trouve dans les pores entre la surface exposée et l’intérieur du béton. Le deuxième mécanisme permettant la pénétration des ions chlorures est l’absorption capillaire qui a lieu dans un béton sec ou partiellement saturé et imprégné par une solution saline.

Dans le béton, on distingue deux types d'ions chlorures :

- les chlorures libres, qui se déplacent dans la solution interstitielle du béton; - les chlorures fixés, qui s’accrochent à la matrice cimentaire.

L’ensemble des chlorures libres et fixés constituent les chlorures totaux dans le béton. Il existe différents types d’essais permettant de classer les bétons vis-à-vis de la pénétration des ions chlorures qui participent à la corrosion des armatures.

b) Caractérisation expérimentale de la performance des bétons subissant la pénétration des ions chlorures

Comme le processus de carbonatation du béton, la pénétration des ions chlorures est un processus qui évolue lentement dans le béton. Il existe des essais dits de diffusion simple qui peuvent prendre plusieurs mois. La solution pour accélérer le processus est de réaliser des essais de migration sous champ électrique. Il existe deux types d’essais de migration sous champ électrique [GranDuBé, 2007]:

- les essais de migration en régime permanent ou stationnaire - les essais de migration en régime transitoire.

Après la préparation des éprouvettes de béton par sciage et conditionnement, les essais de migration peuvent être réalisés.

• Essai de migration en régime permanent ou stationnaire

Les essais de migration en régime permanent permettent de calculer le coefficient de diffusion effectif 𝐷_𝑒𝑓𝑓 (m2/s) du béton. L’essai consiste à placer une éprouvette de béton saturé entre deux compartiments contenant chacun une solution. Les deux compartiments sont reliés entre eux à l’aide de deux électrodes. Le compartiment en amont contient la cathode et une solution avec des ions chlorures et le compartiment en aval contient l’anode et une solution sans ions chlorures. A l’aide d’un champ électrique, les ions chlorures migrent de la cathode vers l’anode. Une fois que le flux des ions devient stable, ce qui correspond au régime permanent ou stationnaire, le coefficient de diffusion effectif peut être calculé [Soufi, 2013].

• Essai de migration en régime transitoire

Le principe reste le même que celui avec l’essai de migration en régime permanent. La différence se retrouve sur l’exploitation qui se fait en régime transitoire. Au bout de 24 heures, la profondeur de pénétration des ions chlorures dans le béton est déterminée à l’aide d’une solution de nitrate d’argent qui réagit en montrant la partie où les ions chlorures sont présents (voir figure 1.4). La profondeur de béton est ainsi mesurée pour déduire un coefficient de diffusion apparent 𝐷_𝑎𝑝𝑝 (m2/s).

En réalisant les essais en régime transitoire, on réduit le temps, ainsi que le coût de mobilisation de personnes et des dispositifs pour les essais. Pour mettre en place une approche performantielle, l’essai en régime transitoire est le mieux adapté dans le cadre d’une approche comparative [Roziere, 2007]. Il existe différents types d’essais en régime transitoire. Parmi ces essais, on peut citer : l’essai Nordtest NT BUILD 443 [NT BUILD 443, 1995], les essais dits Rapid Chloride Permeability Tests (exemple ASTMC 1202-05 [ASTMC, 2005]) et l’essai NT BUILD 492 [NT BUILD 492, 1999], le mode opératoire GranDuBé [GranDuBé, 2007].

Figure 1.4. Dispositif d’essai de la méthode NT BUILD 492 (à droite) et son illustration (à gauche) [NT BUILD 492, 1999]

c) Critiques sur les essais de pénétration des ions chlorures

Les essais de caractérisation de la pénétration des ions chlorures dans le béton permettent de déterminer le coefficient de diffusion effectif 𝐷_𝑒𝑓𝑓 et le coefficient de diffusion apparent 𝐷_𝑎𝑝𝑝. Le coefficient de diffusion effectif mesuré en régime permanent caractérise le flux de chlorures libres dans le béton et néglige les interactions physico-chimiques entre des chlorures sur la matrice cimentaire tandis que le coefficient de diffusion apparent mesuré en régime transitoire les prend en compte. L’essai en régime permanent caractérise le comportement du matériau béton lors de la pénétration des ions chlorures alors que l’essai en régime transitoire met en évidence les interactions physico-chimiques

des ions chlorures dans la matrice cimentaire. Les deux essais sont complémentaires et permettent de caractériser le béton vis-à-vis du phénomène de pénétration des ions chlorures. Néanmoins, dans le cadre d’une application d’une approche performantielle du concept de performance équivalente où l’essai doit être représentatif, répétable, reproductible, sensible et rapide, l’essai en régime transitoire, notamment le mode opératoire NT BUILD 492 remplit les exigences demandées [Roziere, 2007]. Les conditions environnementales influent sur la pénétration des ions chlorures ; il faut alors tenir compte des conditions d’exposition du béton (conditions de cure, âge du béton taux de saturation aux chlorures et conditions limites).

Les études réalisées sur le sujet de la pénétration des ions chlorures dans le béton, [GranDuBé, 2007], [Roziere, 2007], [Deby, 2008], [Soufi, 2013] [Nguyen, 2014], ne prennent pas en compte d’une façon spécifique la problématique sur les données des essais. La variabilité des coefficients de diffusion apparente et effective est prise en compte dans les travaux de Deby [Deby, 2008] concernant la durabilité des bétons en environnement marin. Les coefficients de diffusion sont caractérisés par leurs lois de probabilité avec moyenne et écart-type. Toutefois comme avec les essais sur la carbonatation du béton, la question de l’optimisation des essais n’est pas abordée. Ainsi, les travaux de cette thèse sont orientés pour apporter une réponse sur l’optimisation des essais de durabilité.