Protéger les bétons contre la corrosion liée à l'eau

La corrosion désigne le phénomène de dégradation de l’état d’un matériau, notamment par une pollution environnementale chimique et/ou biologique.

Dans le cadre de la prévention de la corrosion de bétons par exposition à l’eau, deux solutions principales existent :

• L’application d’un revêtement protecteur sur les parties à protéger ;
• L’utilisation de produits d’imprégnation.

1. Description du phénomène

La corrosion désigne le phénomène de dégradation de l’état d’un matériau, notamment par une pollution environnementale chimique et/ou biologique. Dans le cas des bétons, la corrosion désigne la dégradation du béton mais elle peut aussi désigner celle des matériaux intégrés au béton lorsqu’il est armé ou fibré (notamment par des fibres métalliques).

La corrosion des bétons est la conséquence de nombreux mécanismes parmi lesquels notamment :

• L’hydrolyse du liant du ciment durci,
• La corrosion chimique, résultat de réaction entre le calcium de la chaux et des ions dans des solutions agressives,
• Des réactions d’expansions, résultats de réactions chimiques ou de cristallisation de sels.

Elle peut être divisée entre trois catégories :

• Les attaques externes sur le béton seul,
• Les attaques internes sur le béton seul,
• Les attaques externes sur les armatures / fibres.

Ces différents types de corrosion sont résumés dans la figure ci-dessous :

Figure 1 - Types de corrosion. D’après Dierkens M., 2011).

La norme NF EN 206+A1 (remplaçant la norme NF EN 206-1) définit des classes d'agressivité de solutions et de sols vis-à-vis des bétons classiques. Selon le type d’exposition, les classes d’exposition diffèrent selon qu’il s’agisse :

• D’expositions courantes :
  • X0 : Pas d’agression,
  • XC : Agression par Carbonatation,
  • XF : Agression par le Froid,
     
• D’expositions particulières :
  • XS : Agression par des Sels marins,
  • XD : Agression par des sels Divers,
  • XA : Agression par des Attaques chimiques (c (Type d'agression qui concerne plus particulièrement le domaine des Sites et Sols Pollués). 

En ce qui concerne la corrosion des bétons par l’eau, elle est principalement liée aux concentrations en SO₄^2-, Cl^-, Mg²⁺, NH₄⁺ et au pH de l’eau en contact avec le béton.
Dans l’état actuel des connaissances, la bibliographie ne mentionne pas de retour d’expérience de corrosion majeure des bétons armés par des composés organiques ou des hydrocarbures à eux seuls. Le risque de corrosion des bétons par ces composés, qui sont les problématiques usuelles rencontrées dans le domaine des Sites et Sols Pollués, apparaît donc faible. Le lecteur est invité à consulter l’article d’Hermann (1995), qui présente le degré d’agressivité d’une liste importante de substances (voir Références).

a. L’action des ions sulfates SO₄^2-

Les ions sulfates contenus dans l’eau de mer ou les eaux souterraines peuvent provoquer le gonflement du béton puis la fissuration et l'éclatement superficiel du béton, en raison de la formation de gypse (CaSO₄.2H₂O) puis d’ettringite (3CaO.Al₂O₃.3CaOSO₃.32H₂O). 
Les ions sulfates réagissent avec le ciment (portlandite) pour former un gypse secondaire et des hydroxydes alcalins selon les réactions :

K₂SO₄ + 2 H₂O+ Ca(OH)₂ → CaSO₄.2H₂O + 2 KOH
Na₂SO₄ + 2 H₂O+ Ca(OH)₂ → CaSO₄.2H₂O + 2 NaOH

Ce gypse secondaire peut ensuite réagir avec les aluminates (CaO.Al₂O₃.6H₂O) présents dans la pâte de ciment pour former l’ettringite :

3 CaSO₄.2H₂O + 3 CaO.Al₂O₃.6H₂O + 20 H₂O → 3CaO.Al₂O₃.3CaOSO₃.32H₂O

En cas de présence de carbonates, de la thaumasite (CaSiO₃.CaCO₃.CaSO₄.15H₂O) peut également être formée :

CaSO₄.2H₂O + CaCO₃ + CaSiO₃.nH₂O + 12 H₂O → CaSiO₃.CaCO₃.CaSO₄.15H₂O

b. L’action des ions chlorure Cl^-

Les ions chlorures contenus dans l’eau de mer et dans les sels de déverglaçage pénètrent à partir de la surface du béton jusqu’à l’armature/aux fibres. Les ions Cl^- vont réagir avec la chaux (Ca(OH)₂) présente dans le béton, pour former un sel de CaCl₂ soluble dans l’eau. La perméabilité du béton va augmenter, ce qui aggrave le phénomène. Les ions chlorures peuvent également réagir avec les aluminates de calcium contenus dans certains bétons, pour former des aluminates de chlore, semblables à l’ettringite gonflante. Enfin, en cas de succession de cycles de mouillage et séchage du béton, une cristallisation de sels peut se produire dans les pores du béton. La pression produite par les cristaux est plus importante que la force de tension du béton, engendrant des fissures dans le béton.

c. L’action des ions magnésium Mg²⁺

En présence d’ions magnésium, un échange ionique a lieu entre les ions calcium Ca²⁺ (provenant de la chaux) et les ions magnésium Mg²⁺ pour former de la brucite (Mg(OH)₂). Cette brucite n’a aucune propriété liante et le béton perd de sa cohésion.

d. L’action des ions ammonium NH₄⁺

La présence d’ammonium, notamment dans les eaux résiduaires, peut intervenir dans les processus de destruction du béton de deux façons :

• par développement de réactions biologiques nitrifiantes, et donc acidifiantes, qui ne peuvent toutefois se développer qu’en milieu aérobie, comme par exemple dans les réfrigérants atmosphériques,
   
• par dégagement d’ammoniac. Les ions ammonium réagissent avec l’hydroxyde de calcium de la chaux pour produire de l’ammoniac (gaz). Ce gaz s’échappant, aucun équilibre ne peut être atteint et la réaction se poursuit sans interruption jusqu’à solubilisation de la chaux et dégradation du ciment.

e. L’action de solutions acides

Étant donné sa basicité, la solution interstitielle du béton va réagir avec des solutions acides. Cela sera le cas avec les pluies acides, les eaux de process acides voire les eaux souterraines acides.
Dans une moindre mesure, le CO₂ dissous dans les eaux naturelles peut également réagir avec la chaux du béton (voir la fiche Protéger les bétons contre la corrosion liée à l'air).

Valeurs limites pour les classes d’exposition aux attaques chimiques dans les eaux 
(norme NF EN 206-1).

2. Solutions envisageables

Les solutions ci-dessous présentent les techniques envisageables pour empêcher ou ralentir la pénétration d’un fluide (eau ou air). Pour obtenir les solutions spécifiques aux principales substances présentées précédemment, le lecteur est invité à consulter les fiches :

• Protéger les bétons contre la corrosion liée aux acides,
• Protéger les bétons contre la corrosion liée aux chlorures,
• Protéger les bétons contre la corrosion liée aux sulfates,
• Protéger les bétons contre la corrosion liée aux micro-organismes.

a. L’application d’un revêtement protecteur sur les parties à protéger

• Soit un film mince de type peinture,
   
• Soit un revêtement semi-épais à comportement élastoplastique. Ce comportement permet au revêtement de revenir à son état initial tant que l’étirement subi ne dépasse une valeur maximale d’étirement (comportement élastique). Si l’étirement augmente et dépasse cette valeur, la déformation est irréversible et le matériau ne pourra plus revenir à son état initial (comportement plastique),
   
• Soit un revêtement ou équipement (par exemple pieux tubés) épais (plastique ou métallique. Dans ce dernier cas, l’épaisseur du revêtement pourra être calculée en fonction de la durée de vie recherchée et de la vitesse de corrosion du métal).

b. L’utilisation de produits d’imprégnation

• Soit de produits hydrophobes. Cela consiste à introduire dans les pores du béton, un produit qui empêche l’adsorption et la pénétration de l’eau par capillarité,
   
• Soit de minéralisateurs obturateurs de capillaires. Ils sont mélangés au béton à l’état liquide et vont diminuer la taille des pores du ciment durci,
   
• Soit d’inhibiteurs de corrosion. Introduits par imprégnation du béton durci, les inhibiteurs de corrosion ralentissent la vitesse de corrosion des armatures,
   
• Soit d’adjuvants limitant le craquage du béton.

Produits d’imprégnation : Contrôler la composition du béton au moment de la fabrication.

Revêtements :

Contrôler l'état et l'étanchéité du revêtement :

• lors de l'application,
• s'il est accessible, selon les préconisations du fabricant, de l'installateur ou d'une société compétente.

Faire appel à une société spécialisée.

1. Bibliographie

BRGM (Août 2014) 
Guide relatif aux mesures constructives utilisables dans le domaine des SSP
Leprond H., Lion F., Colombano S. avec la collaboration de Windholtz J.(2014)
Rapport final BRGM/RP-63675-FR,172p., 26 fig., 19 tabl., 5 ann.
http://ssp-infoterre.brgm.fr/guide-relatif-aux-mesures-constructives
http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-63675-FR.pdf

Dierkens M. (2011)
Principales agressions et attaques du béton
Présentation du 15 novembre 2011
https://fr.scribd.com/document/364533421/1-Principales-Agressions-Et-Attaques-Du-Beton-Dierkens

Hermann, K. (1995)
Substances exerçant une action chimique sur le béton
http://doi.org/10.5169/seals-146377

NF EN 206+A1 (Novembre 2016)
Béton - Spécification, performances, production et conformité
https://www.boutique.afnor.org/norme/nf-en-206a1/beton-specification-performances-production-et-conformite/article/918602/fa188531