Causes et préventions des altérations du béton : Corrosion des armatures

16 Septembre 2019
 

Généralités

Généralement, les armatures et les insertions métalliques sont naturellement protégées dans le béton. Cependant, deux mécanismes peuvent mener, sous certaines conditions, à leur corrosion :

  • la carbonatation
  • l’attaque par les chlorures.


On distingue 2 phases dans le mécanisme de corrosion des armatures :

  • phase 1 : initiation, dont la fin correspond à la dépassivation de l’armature
  • phase 2 : propagation, correspondant à la destruction de l’armature.


La corrosion peut être empêchée pendant toute la durée de vie d’un ouvrage par une épaisseur et une qualité adéquate du béton d’enrobage. Il est également possible d’utiliser des aciers d’armature avec une résistance à la corrosion plus élevée si des exigences particulièrement sévères doivent être respectées.
 

Causes

L’acier d’armature est durablement protégé de la corrosion dans un béton alcalin, non carbonaté et non chargé en chlorures. Cette protection est garantie par la haute alcalinité de la solution interstitielle des pores de la pâte de ciment, dont les valeurs de pH se situent entre 12,5 et 13,5 selon le type et la quantité de ciment, ainsi que par d’éventuelles additions (p.ex. cendres volantes, fumée de silice).

La couche passive protectrice à la surface de l’acier peut être détruite par deux mécanismes : la carbonatation et l’attaque par les chlorures. La vitesse de dépassivation (phase 1) dépend essentiellement de l’épaisseur, de la qualité du béton d’enrobage, ainsi que des conditions environnementales.

Fig 4.3.1 Signes de corrosion visibles en surface du béton - fr

 

Corrosion par carbonatation
On appelle carbonatation la réaction chimique entre le gaz carbonique CO2 contenu dans l’air et l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 contenu dans la pâte de ciment. La carbonatation commence à la surface du béton et se propage lentement en profondeur. Son influence sur le béton lui-même est favorable car elle le rend plus compact et augmente donc sa durabilité. Elle agit à la manière d’une protection naturelle contre la pénétration des gaz et des liquides. Le béton non armé profite pleinement de l’influence favorable de la carbonatation.

En revanche, cette même carbonatation peut être à l’origine d’importants dommages sur les structures en béton armé. En effet, la carbonatation diminue l’alcalinité élevée de la solution interstitielle des pores de la pâte de ciment, faisant passer le pH de ± 13 (ce qui protège l’armature) à un pH < à 9. Dès que le "front de carbonatation" atteint la zone de l’armature, ce qui correspond à la fin de la phase 1 (dépassivation), celle-ci peut commencer à s’oxyder (fig 4.3.2). La vitesse à laquelle le front de carbonatation pénètre à l’intérieur du béton est d’autant plus grande que le béton est poreux. Elle ralentit cependant progressivement au cours du temps, car la couche déjà carbonatée freine les échanges avec l’extérieur (fig 4.3.3).

La vitesse et la profondeur de carbonatation sont toutefois influencées par quantité d’autres facteurs comme la teneur en ciment, les variations de température ainsi que la fréquence des alternances entre l’état sec et l’état mouillé à la surface du béton.

La corrosion de l’armature (phase 2) commence, dès que trois conditions sont remplies :

  • le front de carbonatation a atteint l’armature (dépassivation)
  • disponibilité d’humidité
  • disponibilité d’oxygène.


Dans les éléments de construction en permanence saturés en eau ou complètement secs, le risque de corrosion est donc faible, puisqu’il manque soit de l’oxygène soit de l’humidité. Par contre, des périodes d’alternance séchage / mouillage augmentent le risque de corrosion. Le choix des classes d’environnement EE (classes d’exposition XC) reflète entre autre ces différences.


Corrosion par les chlorures
Suite à l’infiltration de chlorures issus notamment des sels de déverglaçage, de l’eau de mer, d’eau chlorée,... la concentration en chlorures dans la solution interstitielle des pores du béton augmente. L’atteinte d’une "concentration critique" à l’endroit des armatures peut provoquer une dépassivation locale de la surface de l’acier, ce qui correspond à la fin de la phase 1 (fig 4.3.4).

La propagation de la corrosion (phase 2) dépendra de la présence simultanée de chlorures, d’eau et d’oxygène : le choix des classes d’environnement ES (classes d’exposition XS ou XD) reflète entre autre ces différences.

Typologie apparente

Surface du béton
Selon son ampleur, la corrosion de l’armature se remarque en surface du béton par des traces de rouille ou des décollements du béton d’enrobage (fig 4.3.1). Les traces de rouille sont les premiers signes visibles en surface du béton. La formation de la rouille à partir de l’acier s’accompagne d’une augmentation volumique de 2 à 3 fois le volume de l’acier. La pression qui en résulte conduit à la fissuration du béton d’enrobage et, à un stade plus avancé, à son décollement au-dessus des barres d’armature corrodées. Dès lors, les barres d’armature ne disposent plus d’aucune protection et le béton armé commence à perdre de sa capacité portante.

Armature
L’armature subit une perte de sa section effective par la corrosion. Ceci a un impact direct sur la portance de l’élément de construction. On distingue une corrosion uniforme de la surface des barres suite à la carbonatation (fig 4.3.5) d’une corrosion ponctuelle par piqûres, induites par les chlorures. La perte de section provoquée par les piqûres de corrosion est généralement nettement plus prononcée et critique que celle induite par la carbonatation. La corrosion répartie régulièrement se caractérise par les éclatements du béton d’enrobage, tandis que la corrosion par piqûres reste souvent inaperçue et se développe sans beaucoup de signes extérieurs à la surface.
 

Mesures préventives

Les mesures ont pour but d’assurer que la phase 1 (initiation) dépasse la durée d’utilisation prévue de l’élément (50 ans dans le cadre de la NBN EN 206).

Pour ce faire il faut : 

  • Recouvrir les armatures d’un enrobage de béton suffisant. En général l’épaisseur de l’enrobage se situe entre 25 et 40 mm pour le bâtiment. La NBN EN 1992-1-1 (Eurocode 2), relative au dimensionnement des structures en béton, définit les exigences pour l’enrobage en fonction de la classe d’exposition et de la classe structurelle. Une attention particulière doit être vouée aux armatures situées derrière les rainures et les faux joints.
  • Respecter les spécifications de la norme NBN EN 206 en matière de composition de béton.
  • Pratiquer un bon compactage et une bonne cure afin que la surface du béton soit compacte et bien hydratée dès le tout jeune âge et que la progression du front de carbonatation soit ralentie aussitôt que possible.
  • Limiter la fissuration du béton. En effet, les fissures d’une ouverture supérieure à 0,3 mm facilitent davantage la pénétration du dioxyde de carbone (CO2), des chlorures (Cl-), d’eau (H2O) et d’oxygène (O2) jusqu’à l’armature.


Dans le cas où le béton est exposé aux chlorures (eau de mer, eaux chlorées) l’usage d’un ciment à forte teneur en laitier - type CEM III/ B 42,5 - sera favorable. En effet les chlorures en solution sont fixés par le laitier, leur propagation est donc ralentie.

 

La résistance d’un béton vis-à-vis de ces deux mécanismes de corrosion peut être évaluée via des "essais de performance" :

  • mesure de la résistance à la carbonatation, selon la NBN EN 13295 et NBN EN 14630 (fig 4.3.6)
  • mesure du coefficient de migration des ions des chlorures, selon la NT Build 492 (fig 4.3.7).
 
Fig 4.3.2 Corrosion induite par carbonatation - fr

 

Le rapport entre l’âge du béton et la profondeur de carbonatation est empreint d’une forte dispersion - fr

 

Fig 4.3.4 Corrosion induite par les chlorures - fr

 

Fig 4.3.5 Dégâts de corrosion d’une armature - fr

 

Fig 4.3.6 Mise en évidence du front de carbonatation par un test à la phénolphtaléine - fr

 

Fig 4.3.7 Equipement pour essai accéléré de la migration des ions chlorures - fr