Mécanisme et développement de la corrosion du béton

L’acier dans le béton sain

Avant d’être placée dans le coffrage, une armature en acier est rouillée, parce qu’elle a d’abord été exposée à l’atmosphère. Lorsque le béton frais est mis en place autour de cet acier, l’eau de gâchage pénètre à travers les pores de la rouille, où elle forme progressivement de la ferrite de calcium hydraté (4.CaO . Fe2O3 . 13H2O). Mais surtout, cette eau réagit avec l’acier métallique et forme sur celui-ci une fine couche d’hydroxydes de fer [Fe(OH)2] et de calcium [Ca(OH)2].

Tous ces produits au voisinage de l’acier donnent à la solution interstitielle du béton un pH élevé, de l’ordre de 13. Il est à noter qu’au contact de la rouille initiale, l’hydratation du ciment est perturbée : il se forme localement une zone de transition, au-delà de laquelle le béton a des caractéristiques plus homogènes.

L’eau de gâchage du béton permet donc de former autour de l’acier des produits, qui le protègent par passivation. Plus exactement, sous la rouille, une armature est recouverte d’une fine couche protectrice de produits blancs, à base de ferrite et d’hydroxyde de calcium.

Une telle protection disparaît si la solution interstitielle a disparu (cas des grandes fissures qui atteignent les armatures) ou ne correspond plus à un béton sain.

Les étapes de la corrosion de armatures

La corrosion du béton avec formation de rouille des armatures dans les bétons comporte deux phases. Dans un première phase (ou stade), les éléments agressifs, tels que le dioxyde de carbone (CO2) ou les chlorures (Cl-), présents dans le milieu environnant, pénètrent dans le béton. C’est le stade d’incubation. La seconde phase est celle dite de propagation qui commence lorsque ces corps agressifs se trouvent à des concentrations assez fortes au niveau des armatures. Elle correspond à la croissance de la rouille, qui peut ensuite faire éclater le béton d’enrobage.

Ainsi, pour décrire la corrosion des aciers dans les bétons, il convient de préciser, d’une part, la pénétration des agents agressifs à travers le béton et, d’autre part, les conditions de dépassivation de ces armatures, puis la vitesse de dissolution du métal et la croissance de la rouille.

Il est à noter que les aciers à haute résistance utilisés pour la précontrainte du béton, peuvent subir une fissuration spécifique, par corrosion sous contrainte. Ce cas n’est pas traité ici.

Mécanisme de la corrosion du béton

Les stades de la corrosion des aciers dans les bétons, induite par des agents tels que les chlorures ou le dioxyde de carbone. L’agent agressif pénètre dans l’enrobage, puis déclenche la formation de rouille.

Celle-ci se développe et peut fissurer l’enrobage.

Dégradation du béton d’enrobage

Le béton qui enrobe une armature être altéré par le milieu environnant, pour des raisons :

  • Physiques : le gel peut le faire éclater, etc ;
  • Mécaniques : le béton peut se fissurer sous l’action d’une charge excessive,
  • Chimiques, notamment à cause de certains corps (gaz ou ions) contenus dans le milieu

D’une façon générale, les constructions en béton armé sont au contact de l’atmosphère, de l’eau (rivière, mer, etc.) ou de sols. Ces milieux sont plus ou moins pollués et contiennent certains corps (gaz ou liquide) qui peuvent entrer dans le béton et modifier les caractéristiques de celui-ci et en particulier la composition chimique de la solution interstitielle.

Les agents agressifs les plus fréquents sont les eaux pures, les chlorures dans l’eau et le dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère.

L’eau pure peut lessiver (lixiviation) le béton en dissolvant certains constituants du ciment et augmenter la porosité du béton.

Les sels de chlorures sont très solubles dans l’eau. Les ions ainsi formés dans l’eau et pénètrent avec celle-ci dans le béton (pénétration des chlorures) , soit par humidification d’un béton sec (convection), soit par diffusion, due au fait que la teneur en chlorure est plus forte dans le milieu environnant que dans le béton d’origine (gradient de concentration). Les chlorures venant de l’extérieur restent, en majorité, à l’état dissous dans la solution interstitielle du béton. Mais ils peuvent aussi réagir avec certains constituants du matériau (réaction chimique ou adsorption).

Le dioxyde de carbone (CO2) est sous forme gazeuse dans l’atmosphère. Il peut être dissous par la solution interstitielle du béton, et réagir avec certains composés calciques pour former des carbonates (carbonatation). Il en résulte que le pH de la solution interstitielle du béton altéré par cette carbonatation, est de l’ordre de 9.

La pénétration du dioxyde de carbone dans le béton est un phénomène de diffusion. Elle est rapide lorsque le béton est assez sec. Mais la réaction de carbonatation n’a lieu que s’il reste de la solution interstitielle dans le béton. C’est pourquoi, les conditions les plus favorables à la pénétration du dioxyde de carbone correspondent à une humidité relative moyenne, de l’ordre de 65%.

Conséquences pratiques : Pour ralentir la pénétration des agents agressifs, il faut formuler le béton et le fabriquer, de telle sorte que sa porosité soit faible et que le coefficient de diffusion de ces agents soit faible également.

Amorçage de la corrosion des armatures

La corrosion des armatures commence, lorsque les produits formés à leur surface ne les protègent plus (dépassivation), car ils deviennent plus poreux. Un premier critère d’amorçage de la corrosion correspond donc à la modification de la nature de ces produits. Ce processus passe par des stades intermédiaires qui donnent des produits plus ou moins stables, les  » rouilles vertes « . Un critère, plus opérationnel, correspond à la modification significative le vitesse de dissolution métallique (changement de l’activité de la corrosion). Pour appliquer ce critère, il faut suivre la vitesse de corrosion.

Schéma de la corrosion du béton

Formation des produits de corrosion du fer, dans un béton sain ou  » pollué  » (par des chlorures ou carbonates)

En pratique, le dioxyde de carbone (CO2) déclenche la corrosion des armatures, lorsque le béton au contact de ces aciers est carbonaté et assez humide (même de façon non permanente). Les chlorures qui provoquent une corrosion métallique, sont sous forme d’ions dissous dans le liquide interstitielle ( » chlorures libres « ). Leur teneur critique dépend surtout du pH du béton et de son aération (teneur en oxygène).

Conséquences pratiques : Pour un béton et un milieu environnant donnés, l’amorçage de la corrosion survient plus tard, lorsque l’enrobage de l’acier est plus épais et plus compact.

Développement de la corrosion

Les produits protecteurs, comme l’hydroxyde ferreux Fe(OH)2, la  » rouille verte  » ou la magnétite, restent stables et ont une faible épaisseur. Par contre, les produits qui n’arrêtent pas la corrosion se développent au cours du temps.

Lorsqu’une armature se corrode, elle subit une dissolution plus ou moins localisée, mais de plus elle se recouvre de produits de corrosion (rouille classique de couleur rougeâtre) instables. Dans un béton plutôt poreux et humide, ces produits traversent l’enrobage et finissent par tacher la surface du parement. Dans le cas plus classique, d’un béton relativement sec, les produits de corrosion gonflent en déformant fortement l’enrobage et, sous l’effet d’une pression, finissent par fissurer le béton ou par provoquer des éclatements (épaufrures).

La diminution de section de l’armature et le gonflement simultané de la rouille entraînent une diminution plus ou moins notable de l’adhérence entre l’acier et le béton.