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Digeste de la construction au Canada, 1983-08-01
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Détérioration des garages de stationnement
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction. Conseil national de
recherches Canada
CBD-224-F
Détérioration des garages de stationnement
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Publié à l'origine en août 1983. G.G. Litvan
Depuis quelques années, la détérioration des garages de stationnement constitue un grave problème. Bien souvent, il est nécessaire d'effectuer des réparations importantes après cinq ans d'utilisation seulement. Au Canada, on ne connaît pas exactement le montant total des dommages, en raison de l'absence de données à l'échelle nationale. On l'évalue cependant à plus de 1,5 milliard de dollars. La remise en état peut quelquefois s'avérer plus coûteuse que la construction initiale. Ce digest traite des causes de la détérioration rapide des dalles de béton de ces garages et des directives à suivre pour en accroître la durabilité.
Corrosion de l'acier d'armature
La détérioration des garages est habituellement due à la corrosion de l'acier d'armature causée par l'action des sels de dégivrage ramenés par les voitures en hiver. Le gel est rarement considéré comme un facteur de détérioration, car la température, même dans les garages non chauffés, n'atteint généralement pas le point de congélation.
La description d'une pile électrolytique aide à mieux comprendre ce procédé électrochimique qu'est la corrosion (schéma 1). Cette pile est composée de deux électrodes, une de fer et une de cuivre, qui sont immergées dans l'eau et reliées électroniquement entre elles.
En présence d'un liquide, le fer a tendance à retourner à son état stable d'oxyde de fer. Lors de la première étape du processus, appelée réaction anodique, le fer métallique se dissout, se transforme en ions ferreux chargés positivement et libère deux électrons. Les électrons ne pouvant exister qu'en petit nombre à l'état isolé, entrent dans une réaction complémentaire et simultanée à la surface de l'autre électrode, appelée cathode. Cette réaction, en présence d'eau et d'oxygène, produit des ions d'hydroxyde qui, avec les ions ferreux, forment un précipité d'hydroxyde ferreux.
Lorsque ce dernier entre en contact avec l'oxygène, il se transforme en hydroxyde ferrique, un précipité brun-rouge mieux connu sous le nom de rouille. Pour le bon fonctionnement de la pile électrolytique, il est essentiel de réunir les éléments suivants : l'anode, sur laquelle se produit la corrosion ; la cathode, qui ne se corrode pas mais maintient l'équilibre ionique nécessaire à la formation de la corrosion ; l'électrolyte qui conduit le courant électrique ; et l'oxygène. L'acier d'armature dans le béton n'est pas parfaitement uniforme. Sa composition, son niveau de contrainte ou la nature de son environnement immédiat varient. Sous l'effet de ces
différents facteurs, le fer a tendance à retourner à un état combiné. Ainsi, une partie de l'acier joue le rôle d'anode et l'autre, de cathode. La pile galvanique fonctionne alors tel que décrit précédemment et, en présence d'humidité et d'oxygène, l'acier se transforme en rouille. La présence de chaux crée un milieu fortement alcalin (pH = 12-13) et protège de la corrosion l'acier contenu dans le béton sain. L'acier réagit dans ces conditions comme un métal de bonne qualité. Il n'a pas tendance à se dissoudre et devient donc "passif". Cette résistance à la corrosion persiste tant que l'action de la chaux n'est pas neutralisée par celle du carbone, qui abaisse le pH au-dessous du niveau critique situé à environ 11,8. Les chlorures solubles peuvent cependant détruire la passivité de l'acier, même si le pH de ce dernier est élevé. En dépit de recherches approfondies, le processus de corrosion par le chlorure n'est pas encore très bien connu. Les chlorures ne disparaissent malheureusement pas pendant la réaction mais agissent plutôt comme des catalyseurs. Leur effet sur la corrosion étant directement
proportionnel à leur concentration, il est donc essentiel de maintenir cette concentration aussi faible que possible. La teneur en chlorure ne peut aller au-delà de 0,20 p. cent du total des ions de chlorure par unité de poids de ciment; au-dessus de cette valeur, la passivité de l'acier d'armature est détruite.
Les produits de la corrosion provenant de l'oxydation occupent un plus grand volume que le métal d'origine et peuvent causer l'apparition de fissures dans le béton. La désolidarisation du béton et de l'acier peut en outre entraîner la rupture de la matrice.
Protection de l'acier enrobé contre la corrosion
Il est à ce stade évident que l'élimination d'un des éléments essentiels au processus de galvanisation (acier. oxygène, eau, chlorure) permettra d'enrayer la corrosion dans le béton. Provocation d'une discontinuité électrique
Le processus électrochimique ne peut se produire si l'acier est enduit d'un isolant électrique; cette absence de réactions chimiques est très importante du point de vue pratique. Parmi les multiples matériaux isolants, l'époxyde en poudre s'est avéré être le meilleur. Une mince couche de ce produit (environ 0,2 mm) est imperméable, assez flexible, se lie bien au béton et à l'acier d'armature, et de ce fait réduit à un niveau acceptable les dommages lors du
transport. de la torsion et de l'installation du matériau. Les barres d'armature enduites
d'époxyde en poudre utilisées pour les tabliers de pont en béton ont donné de bons résultats : elles devraient être également utiles pour les planchers des garages de stationnement. Étant donné les dépenses additionnelles que cette technique entraîne, son utilisation a été restreinte aux tabliers de pont. Elle pourrait toutefois être envisagée dans des cas où la gravité des problèmes l'exige.
On peut également éviter la corrosion de l'acier en empêchant la pénétration de l'eau, de l'oxygène et, plus important encore, des chlorures dans le béton. Pour ce faire, diverses mesures peuvent être prises séparément ou conjointement.
Conception - Le problème de la pénétration de l'eau ne se poserait probablement pas si l'eau ne s'accumulait pas à la surface du béton. Une pente minimum de 2 cm par mètre de longueur est essentielle pour obtenir un bon drainage. Cette exigence doit être respectée et doit tenir compte du fléchissement possible des dalles à court ou à long terme dû au retrait, au fluage et aux variations de température ou d'humidité. La distance entre les avaloirs de plancher ne devrait pas dépasser 18 m. Des joints de dilatation durables et efficaces constituent également des éléments importants.
Béton - Un béton de qualité se caractérise par sa faible perméabilité et sa faible porosité. C'est pourquoi l'emploi d'un béton doté d'une résistance de 35 MPa avec un faible affaissement (50 min) et un bon tassement devrait être normalisé. L'aération (5 à 6 p. cent) dans le béton rend celui-ci plus malléable et facilite son tassement. Une cure par l'eau de sept jours permettra d'obtenir la qualité désirée.
Enrobage - Afin de protéger l'acier contre l'humidité, la surface de l'armature doit être recouverte d'au moins 50 mm de béton et la sous-face d'au moins 25 mm. Le réseau d'armatures d'acier doit être soigneusement aligné et les écarteurs des barres d'armatures supérieures et inférieures ne devraient pas être espacés de plus de 1 m afin d'assurer l'uniformité de l'enrobage.
On ne saurait trop insister sur l'importance d'un enrobage de béton approprié. Augmenter l'épaisseur du béton de 5 à 10 cm réduira de 75 p. 100 le taux de migration d'humidité vers l'acier. Un autre avantage d'un enrobage assez épais réside dans le fait que la concentration des ions chlorhydriques qui atteignent la barre de renforcement est réduite par l'interaction des constituants du ciment et des chlorures. De plus, cette épaisseur additionnelle retarde la pénétration peu souhaitable du dioxyde de carbone qui, en contact avec la chaux, réduit l'alcalinité du béton. À cet égard, l'utilisation d'un mélange de ciment contenant des parts de laitier est avantageuse en raison de sa faible perméabilité et de sa capacité à maintenir un pH élevé. D'autres méthodes peuvent être utilisées pour accroître l'étanchéité du béton. Ces méthodes, alliées à un enrobage de béton approprié, assureront la protection de l'acier.
Membranes - Une membrane de bonne qualité, correctement appliquée sur la surface de béton, accroît de façon significative la longévité des dalles de béton des garages. Même appliquée sur un béton souillé, cette couche protectrice paraît également efficace. Le choix d'un système approprié est rendu très difficile par le grand nombre de systèmes d'étanchéité actuellement sur le marché. De plus, les évaluations des experts deviennent rapidement désuètes en raison de l'évolution rapide des techniques et du marché. Il est donc préférable de fixer son choix sur un produit d'étanchéité dont le rendement a déjà été mis à l'épreuve dans la région où il doit être utilisé. Il est aussi nécessaire de choisir un entrepreneur fiable en raison de l'importance des travaux à exécuter.
Les membranes d'étanchéité peuvent être préfabriquées ou formées sur place. En raison des conditions de fabrication contrôlées, l'épaisseur et autres propriétés des membranes
préfabriquées sont uniformes et répondent à des exigences. Leur mise en place nécessite toutefois une certaine adresse, particulièrement sur des surfaces irrégulières où les avaloirs, les recouvrements et les joints de dilatation peuvent occasionner des difficultés. L'application sur place de produits d'étanchéité est facile et s'effectue sans tenir compte des irrégularités de surface. Ces produits adhèrent en outre aisément à la couche sous-jacente. Le travail nécessite toutefois une attention particulière si l'on veut obtenir une épaisseur uniforme et éviter
l'apparition de petites cavités.
Les matériaux hydrofuges peuvent être à base de plastique ou d'élastomère, tels que
l'époxyde, le polyuréthane, le bitume caoutchouté, le goudron de houille, le caoutchouc chloré, le néoprène, etc. L'intégrité de la membrane est protégée contre l'abrasion par une autre couche, appelée couche d'usure. Cette couche peut malheureusement favoriser l'accumulation
de saumure à la surface de la membrane d'étanchéité et accroître ainsi les risques d'infiltration lorsque celle-ci est endommagée. Un tel défaut ne devient apparent que lorsque la
détérioration est assez avancée. Le renouvellement de la couche d'usure qui doit être fait périodiquement n'est pas sans causer des dommages à la membrane. C'est un autre désavantage puisque tout le système d'étanchéité doit alors être remplacé.
Recouvrement - Les armatures d'acier peuvent aussi être protégées par une seconde couche de béton, sans membrane. Cette méthode, en plus de réduire la perméabilité, renforce la structure et diminue le risque de fissures dues à la flexion. Le recouvrement peut consister en un béton courant de qualité ou mieux encore un béton dense, à faible affaissement et dont le rapport eau- ciment est peu élevé (0,32). Dans ce dernier cas (méthode Iowa), les deux couches de béton sont liées au moyen d'un mortier approprié. Après avoir été coulé, le béton doit être parfaitement tassé car autrement, malgré le faible rapport eau-ciment, on ne pourra garantir un degré élevé d'imperméabilité. Les plastifiants-réducteurs d'eau produisent un béton résistant tout en augmentant son ouvrabilité. En raison de la minceur des recouvrements (ils peuvent être aussi minces que 32 mm et ne dépassent jamais 50 mm d'épaisseur), la cure doit faire l'objet d'une attention particulière afin d'éviter la formation de fissures.
Les recouvrements contiennent souvent de grandes quantités d'un adjuvant spécial, généralement un polymère. Le latex, une émulsion aqueuse de caoutchouc, est le plus
fréquemment utilisé. On trouve divers types de latex comme le butadiène-styrène, le chlorure de vinyle, l'acrylique, etc. Même si les recouvrements de béton modifiés au latex ne sont pas imperméables, ils réduisent considérablement la concentration des ions de chlorure aux barres d'armature.
Les recouvrements peuvent aussi se composer de matériaux polymériques (sans ciment) ; parmi ces derniers, on utilise fréquemment le polyester et l'époxyde, auxquels on ajoute des matières de charge. Ces couches n'ont pas plus de quelques millimètres d'épaisseur.
Produits hydrofuges - Une méthode simple pour augmenter la durabilité du béton armé et en réduire la perméabilité consiste à appliquer une couche d'un produit hydrofuge. L'essai de divers types d'hydrofuges n'a obtenu qu'un succès mitigé ; l'huile de lin, probablement aussi efficace que les matériaux coûteux, est le plus couramment utilisé. Le traitement consiste en deux applications d'huile de lin bouillie et diluée avec du kérosène ou de l'essence minérale dans une proportion 1:1, afin d'en faciliter la pénétration dans les pores du béton. (Ce solvant inflammable et toxique doit être manipulé avec précaution lorsqu'il est utilisé dans un espace clos.) La pénétration des chlorures est généralement inévitable. On a cependant constaté lors d'essais, que l'huile de lin et d'autres produits hydrofuges peuvent en retarder l'infiltration. Transformation de l'armature en cathode
Comme nous l'avons expliqué antérieurement, les ions métalliques de l'anode dans une pile galvanique se dissolvent dans la solution et les produits de la réaction s'accumulent à la cathode. Lorsqu'il joue te rôle de cathode, l'acier d'armature est donc protégé contre la corrosion. On ne connaît jusqu'à maintenant que deux méthodes basées sur ce procédé. Acier galvanisé - Lors du processus de corrosion, l'acier, enduit de zinc, agira comme une cathode et le zinc comme une anode. Ce dernier étant également sujet à la corrosion dans le milieu alcalin du béton, il n'assure qu'une protection temporaire. Les opinions sont donc partagées quant aux avantages de ce procédé.
Protection cathodique - Cette méthode électrochimique utilise du zinc ou du cadmium (un métal de qualité inférieure) non pas comme un enduit mais comme une électrode indépendante qui est au besoin remplacée périodiquement (anode sacrificielle). Une variante de cette méthode consiste à combiner l'acier avec une électrode permanente (par exemple au carbone) et, à partir d'une source de courant extérieur, appliquer le potentiel pour que l'acier devienne alors la cathode négative et l'anode auxiliaire le pôle positif.
La corrosion des oléoducs, des conteneurs et des navires a été enrayée avec succès grâce à ces deux variantes de protection cathodique. Ce n'est que depuis dix ans qu'elles sont employées
pour protéger les tabliers de pont et, plus récemment, les dalles de béton des garages. Ces méthodes pourraient être utilisées avec succès pour les structures de garages de
stationnement, mais le poids additionnel du poussier de coke et d'un liant bitumineux qui joue le rôle d'anode, accroît les coûts de construction et d'entretien.
Inhibiteurs de corrosion
On reconnaît que certains produits chimiques minimisent ou arrêtent complètement le processus de corrosion, mais on ne comprend pas encore très bien dans tous les cas le mécanisme de fonctionnement de ces inhibiteurs. Un d'entre eux, le nitrite de calcium, peut être utilisé comme adjuvant dans le béton puisqu'il n'en détruit pas les propriétés. On a émis l'hypothèse que le nitrite de calcium réagissait avec des ions ferreux pour former une pellicule d'oxyde ferrique autour de l'anode, enrayant ainsi la corrosion. La durée de la protection n'est toutefois pas connue.
L'expérience acquise jusqu'à présent de l'utilisation toute récente des inhibiteurs de corrosion dans le béton ne permet pas encore de tirer des conclusions quant à la valeur de cette méthode.
Conclusion
Si l'on veut éviter les réparations coûteuses entraînées par la corrosion des armatures d'acier, on ne peut concevoir et construire les dalles de béton des garages comme de simples planchers de bâtiment, L'utilisation de l'acier enduit d'époxyde, de béton ayant un faible rapport eau-ciment, de matériaux hydrofuges et d'un bon système de drainage évitera ou du moins, réduira la corrosion. Bien que chacune de ces mesures soit en elle-même valable, une combinaison de plusieurs mesures aura une efficacité accrue. Il n'est cependant pas nécessaire de mettre en oeuvre toutes les mesures protectrices car les coûts seraient alors excessifs. D'autre part, une protection insuffisante, et par conséquent un faible rendement du béton, entraînera des coûts de réparation élevés. Le degré requis de protection pour un garage donné dépend d'un certain nombre de facteurs techniques et économiques tels que le type de conception, de construction, d'occupation, le volume de circulation, etc. La sélection judicieuse des mesures doit être basée sur l'expérience du concepteur et du propriétaire. Certaines conditions essentielles doivent cependant être respectées : aucun garage ne doit être construit sans un bon système de drainage ; les armatures d'acier doivent être recouvertes d'une épaisseur de béton d'au moins 5 cm et le garage doit être pourvu d'un système efficace d'imperméabilisation.
