Causes et préventions des altérations du béton : Action du gel et des sels de déverglaçage

1 Octobre 2019
 

Action du gel

La dégradation du béton par les cycles de gel et de dégel est due essentiellement à la transformation en glace de l’eau contenue dans les capillaires de la pâte de ciment ou dans les granulats. La formation de la glace implique une augmentation de volume d’environ 10%. Cette expansion, associée au mouvement de l’eau qui n’a pas encore gelé dans les capillaires du béton, va engendrer des pressions hydrauliques internes importantes, dépassant la capacité de résistance à la traction du béton. Il en résulte certains dommages : la répétition fréquente des cycles de gel - dégel fait apparaître un réseau très dense de microfissures dans lazone superficielle du béton. Ce réseau évolue plus ou moins rapidement vers un feuilletage ou un écaillage de la surface (fig. 4.5.1).


Les chutes de la température du béton en-dessous du point de congélation de l’eau sont d’autant plus dangereuses qu’elles sont rapides et fréquentes.

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Action des sels de déverglacage

Les dommages causés au béton par les sels de déverglacage (appelés aussi fondants) peuvent avoir plusieurs origines :

  • Saturation en eau de la surface : les fondants font fondre la neige ou la glace. Une couche d’eau est donc maintenue à la surface et sature le béton. On n’a plus de "vases d’expansions" s’opposant au gonflement lorsque l’eau gèle à nouveau.
  • Choc thermique que ces agents provoquent dans les couches superficielles du matériau : les fondants puisent dans le béton la chaleur nécessaire à faire fondre la neige et la glace qui le recouvrent. Ils provoquent ainsi une brusque chute de la température superficielle du béton, chute qui génère de fortes tensions entre la couche de surface et les couches inférieures dont la température n’a pas varié. Il peut en résulter très rapidement des éclats ou un écaillage de la surface (fig 4.5.2).
  • Pression osmotique : l’eau qui gèle dans le béton est en réalité une solution saline. Au cours du gel, il se produit une séparation en glace d’une part, moins concentrée en sel qu’au départ, et en solution saline d’autre part, qui est donc devenue plus concentrée en sels. Il s’établit donc un flux pour rééquilibrer ces concentrations en sels. Ce flux engendre une pression dans le matériau qui peut mener à une fissuration ou écaillage, suivant la profondeur à laquelle ces pressions prennent place.
  • Gel par couches : à une température donnée, les couches supérieures et inférieures gèlent sous l’action du froid. La couche intermédiaire, où se trouve la concentration maximale en chlorures ne gèle pas. Si, suite à un abaissement supplémentaire de température, l’eau de cette couche vient à geler, elle ne trouve pas d’espace d’expansion et repousse la couche supérieure.
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L’effet destructeur des sels de déverglaçage est beaucoup plus redoutable que l’action du gel seul, mais il est aussi plus limité : seules les surfaces soumises à l’épandage de sel ou sur lesquelles des sels ont été véhiculés sont menacées.

Effets secondaires des sels

Les sels de déverglaçage utilisés comme fondants sont généralement des chlorures de calcium ou de sodium. Dissous dans la glace ou la neige fondue, ces chlorures pénètrent alors plus ou moins profondément dans le béton, en fonction de sa porosité, pouvant provoquer à terme une corrosion des armatures (voir chapitre 4.3). Etant donné que les sels peuvent contenir des alcalins, il faudra en tenir compte dans la prévention du risque de réaction alcali-silice (voir chapitre 4.9).

Action de l’air entraîné

Lors du gel du béton, le paramètre important est la distance que doit parcourir l’eau sous pression.
Le fait d’introduire de minuscules bulles d’air permet de diminuer cette distance que doit parcourir l’eau pour trouver un refuge où elle peut geler et gonfler sans contrainte.


Dans ce but, on introduit, lors du malaxage, des adjuvants entraîneurs d’air.
L’efficacité d’un adjuvant entraîneur d’air peut s’apprécier par sa capacité à former beaucoup de petites bulles, pour un volume d’air donné.

Le réseau de bulles d’air est caractérisé par le paramètre "facteur d’espacement" ou "spacing factor". Il s’agit de la demi-distance moyenne existant entre deux bulles d’air. Une valeur en-dessous de 200 μm permet généralement au béton de résister au gel. La caractérisation du réseau de bulles d’air est réalisée sur le béton durci par traitement d’image microscopique (fig 4.5.3 et 4.5.4).


En revanche, l’augmentation de la teneur en air entraîne une certaine diminution de la résistance du béton : 1% d’air entraîné au-delà de 2% correspond environ à une réduction de 5% des résistances à 28 jours.

Cet effet négatif peut être compensé par l’utilisation d’un ciment de classe de résistance plus élevée ou la diminution du rapport E/C. En effet, 1% d’air entraîné dans le béton permet une diminution d’eau de gâchage d’environ 5 litres par m3, tout en conservant l’ouvrabilité. D’une manière générale, la production et la mise en oeuvre de bétons à air entraîné requièrent une attention très particulière sur les points suivants :

  • dosage précis de l’adjuvant (quantités très faibles)
  • consistance du béton
  • paramètres de pompage (type de pompe, pression)
  • durée et intensité du malaxage
  • méthode et durée de compactage (afin de ne pas casser les bulles d’air).

En outre, l’aptitude à l’emploi d’un béton à air entraîné doit être établie au moyen d’essais préalables et contrôlée en cours d’exécution.

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Composition des bétons soumis aux attaques du gel et des sels de déverglaçage

Mesures préventives

 

Le principe de base pour formuler un béton résistant au gel est le suivant : il faut une bonne résistance mécanique, empêcher l’eau de rentrer et avoir un réseau bien distribué de bulles d’air. En pratique, cela se traduit par :

  • dosage élevé en ciment
  • E/C faible
  • air entraîné
  • utiliser des granulats non gélifs.


Les exigences minimales relatives à la composition des bétons sont fixées dans la norme NBN B15-001 (classes d’environnement EE2, EE3 ou EE4 ; en milieu marin ES2 ou ES4). L’usage d’air entraîné doit être spécifié explicitement.

En outre, afin d’avoir un béton résistant aux sels de déverglaçage , il faut particulièrement soigner la peau du béton, qui sera attaquée en premier par l’action des sels. Soit :

  • soin particulier de la cure du béton
  • éviter le ressuage et la remontée de laitance.


Au niveau de la mise en oeuvre, il convient de finir les surfaces qui seront soumises à des sels selon les
recommandations du chapitre 3.1 (p.ex. brossage). Les surfaces moins sollicitées peuvent être talochées pour bien fermer la peau du béton mais pas trop, ceci afin d’éviter la remontée de laitance.

 

Bétons de route

Il va de soi que la résistance au gel et sels est extrêmement importante pour les revêtements de routes en béton. Pour cette raison, les CCT (Cahiers des Charges Types) des ministères régionaux des travaux publics (Qualiroutes en Wallonie, CCT relatif aux voiries de la Région de Bruxelles Capitale et SB 250 en Flandre) donnent pour les bétons de route des exigences supplémentaires de composition et définissent des caractéristiques minimales à atteindre sur béton durci, notamment en termes d’absorption d’eau et d’écaillage.

Vérification par des essais

La résistance au gel des bétons est vérifiée des essais de gel interne (CEN/TR 15177, fig 4.5.6) ainsi que de gel en présence de sels par un essai d’écaillage (CEN/TS 12390-9, fig 4.5.7). La mesure de l’absorption d’eau (WAI pour Water Absorption by Immersion selon la NBN B15-215) peut être un indicateur indirect de la résistance au gel.

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