Pourquoi les armatures se corrodent ?

La détérioration prématurée des structures en béton armé est devenue un problème majeur du fait de la corrosion de l’acier noyé dans le béton. L’estimation du coût annuel due à cette corrosion dans les ponts américains, dépasse les 8 Milliards de dollars. Les structures les plus affectées sont celles situées dans des environnements agressifs tels que le milieu marin et les régions utilisant du sel de déverglaçage.

Les différentes étapes visibles de la dégradation

Les principaux mécanismes de dégradation

Diffusion du CO2 dans le béton (carbonatation)

La carbonatation réduit le pH du béton par une réaction avec le Ca(OH)2 pour former du CaCO3. La diffusion du CO2 dans le béton s’effectue par capillarité via les pores. Elle dépend fortement de la porosité du béton et son humidité relative en plus de la température. Lorsque le pH atteins une valeur d’environ 9 ; les armatures en acier carbone ne sont plus dans un état passif et la corrosion s’amorce.

La carbonatation seule, est rarement une source d’inquiétude pour des durées de vie inférieures à 50 ans sauf si la qualité du béton n’est pas adéquate ou bien si la mise en œuvre a été mal réalisée (cela inclus les problèmes d’enrobage). Pour des structures plus durables, la carbonatation doit être prise en considération.

Diffusion des chlorures dans le béton

Elle est la cause principale des pathologies des ouvrages en béton armé. Lorsque les chlorures se diffusent dans le béton, certains sont piégés sous une forme d’agglomérat, tandis que les autres, les chlorures libres, se diffusent davantage et provoquent la corrosion lorsqu'ils atteignent les barres d'armature en acier au carbone, selon les étapes suivantes (et le graphique) - extrait de la réf. 12.

1. Diffusion de l'ion corrosif (généralement du chlorure) dans le béton
2. Lorsqu'il atteint la barre d'armature en acier au carbone (t0), la corrosion commence.
3. Les produits résultants de la corrosion, qui ont un volume plus important que l'acier, exercent une pression vers l'extérieur.
4. Le béton se fissure (t1), ce qui facilite l'accès aux chlorures.
5. La couverture de béton se fissure (écaillage) (t3), exposant la barre d'armature.
6. Si la corrosion n’est pas surveillée, elle continue jusqu’à ce que les barres d'armature ne puissent plus supporter les contraintes de traction appliquées et que la structure s'effondre (t5).

Seuil critique de chlorure [8]: Il s’agit de la teneur en chlorure au-dessus de laquelle la corrosion commence. Il y a quelques désaccords concernant la méthode de mesure de sa valeur, mais la valeur 0,4% de la teneur en ciment est généralement acceptée pour les armatures carbones en l’absence de carbonatation

Interaction entre carbonatation et pénétration des chlorures

La carbonatation aggrave la corrosion par les chlorures en libérant une partie des chlorures agglomérés, ce qui les rend disponibles pour corroder les barres d'armature en acier carbone. La carbonatation fait également baisser le PH et donc la valeur du Seuil critique de chlorure.

Couple galvanique dans le béton

Un béton armé en partie avec de l'acier au carbone (CS) et en partie avec de l'acier inoxydable (SS) ne souffrira pas de la corrosion des armatures dans un environnement chloré, si les armatures SS uniquement sont en contact avec les chlorures. Dans des situations réelles, comme celles des réparations, ou lorsque l'armature CS est trop proche de la surface, une certaine corrosion de l'armature CS peut avoir lieu. Trois mécanismes de corrosion des CS seront impliqués

• la corrosion non galvanique, qui représente environ 97 % du taux de corrosion global
• le couplage galvanique de la CS corrodée avec la CS passive, une forme de corrosion contre intuitive, qui contribue à environ 2 % du taux de corrosion
• enfin, le couplage galvanique du CS corrodé avec le SS passif, qui représente environ 1% du taux de corrosion. L'acier inoxydable est une cathode moins bonne que la CS passive en raison de la faible conductivité de la couche passive d'oxyde de chrome.

Toutes les études confirment la conclusion selon laquelle la corrosion galvanique entre l'acier inoxydable et l'acier inoxydable est négligeable.

Les fissures dans le béton favorisent la corrosion

Il y a de nombreuses causes de formation des fissures (voir tableau ci-dessous)

Alors que les fissures  capillaire sont acceptée car presque inévitable et n’endommage pas la résistance de la structure, les fissures plus larges offrent de larges ouvertures aux ions chlorure vers les barres d'armature, accélérant localement l’initiation de la corrosion. Le scellement des fissures est une option, mais elle n'est pas applicable dans les renfoncements ou dans les zones cachées... De plus, c’est une opération de réparation car les fissures peuvent se former des années plus tard. Les produits d'étanchéité retardent l'apparition de la corrosion, mais pas pour toujours.

Type de fissure	Forme de la fissure	Causes principales	Délais d’apparition
Tassement plastique	Au-dessus et dans l’alignement des armatures	Affaissement autour des barres d'armature ; excès d'eau dans le mélange	De 10 minutes à 3 heures.
Retrait plastique	Diagonale ou aléatoire	Evaporation précoce excessive	30 minutes à 6 heures
Dilatation et rétractation dû à la température de l’environnement	Transversale (exemple : en travers du trottoir)	Production excessive de chaleur ou gradients de température (changement de température sur une distance)	1 jour à 2 ou 3 semaines
rétraction de séchage	Transversale ou capillaire	Excès d'eau dans le mélange ; mauvais placement des joints ; joints trop espacés.	Des semaines à des mois
Gel et dégel	Parallèle à la surface du béton	Mauvaise vibration du béton; granulats grossiers non durables.	Après un ou plusieurs hivers
Corrosion de l'armature	Au-dessus de l'armature	Enrobage trop faible; pénétration d'humidité ou de chlorure.	Plus de deux ans
Réaction alcali-agrégat	Fissures à motif ; fissures aux joints parallèles ou aux bords	Granulats réactifs et humidité	Généralement, plus de cinq ans, mais peut être beaucoup plus tôt avec un agrégat hautement réactif.
Attaque au sulfate	Fissures de motif	Sulfates externes ou internes favorisant la formation d'ettringite	Un à cinq ans

Modèles prédictifs

Les modèles prédictifs visent à évaluer la diffusion des chlorures et/ou du CO2 dans le béton.  Fondamentalement, ils prédisent le temps qu'il faudra aux chlorures pour atteindre une valeur critique (Critical Chloride Threshold Level, CCTL) à la surface des barres d'armature. La valeur du CCTL généralement acceptée est de 0,4 % de la teneur en ciment du béton.

Ces modèles ne fournissent des résultats significatifs que si les mécanismes physiques sont ceux modélisés et si les données d'entrée sont correctes. Ce dernier point peut constituer un défi, compte tenu : i) de la grande variation des coefficients de diffusion entre les différents types de béton (jusqu'à 25 fois) ii) du degré d'exposition iii) des variations de température et iv) l’influence des fissures.

En outre, une mauvaise mise en œuvre est possible et peut induire de nouvelles inconnues.

En conséquence, et afin de simplifier les choix, des règles simples ont été mises en place dans les codes de construction.

Pour l'acier carbone, le code de construction européen (Eurocodes) tient compte de :

• La durée de vie utile de la structure (généralement 50 ans pour un bâtiment et 100 ans pour un pont).
• L'environnement dans lequel est situé l’ouvrage

A partir de ces deux paramètres, une couverture minimale du béton par les armatures est spécifiée.

Dans le cas de barres d'armature en acier inoxydable résistant à la corrosion, aucun enrobage supplémentaire ne devrait être nécessaire* et une économie importante de béton et de poids pourrait être réalisée.

 * Cette valeur est laissée à l'appréciation de chaque pays.

 

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