Actions chimiques de l'eau de mer sur les bétons

Les bétons et bétons armés sont très utilisés en environnement maritime. Malheureusement, beaucoup de ces structures souffrent de pathologies, en grande partie liés à des processus chimiques liés au milieu marin.

Depuis la description des principes d’hydraulicité des chaux naturelles par Louis Vicat en 1817 et le dépôt de brevet du ciment Portland par le britannique Joseph Aspdin en 1824, les ouvrages de génie civil ont peu à peu vu leur mode de construction en maçonnerie traditionnelle évoluer vers des techniques de bétonnage de plus en plus complexes et maîtrisées.

Les ouvrages en béton armé ont fait leur apparition à la fin du 19° siècle. En 1928, Eugène Freyssinet invente la précontrainte, deuxième évolution majeur élargissant le domaine de conception et de mise en œuvre des ouvrages de génie civil en béton. Les infrastructures portuaires ont logiquement évolué en parallèle de ces innovations techniques.

Aujourd'hui,  les ouvrages en béton, béton armé, et béton précontraint sont présents en milieu maritime sous des formes très variées, remplissant des fonctions multiples (cf article typologie des ouvrages portuaires).
Une caractéristique commune de ces ouvrages est, par définition, la nécessité de faire face à cet environnement spécifique qu’est le milieu marin en général, et portuaire en particulier.
Les agressions sont multiples et de natures différentes. Elles peuvent être mécaniques (action de la houle et des vagues, impacte d’accostage des navires), biologiques (colonisation d’organismes) et chimiques.

Nous aborderons ici spécifiquement ce dernier point, en décrivant sommairement les interactions chimiques mettant en jeu les composants des bétons et les sels minéraux dissouts de l’eau de mer.

Composition de l'eau de mer

L’eau de mer contient approximativement entre 30 à 40 g/l de sels dissouts.

On parle d’eau saumâtre lorsque l’eau de mer est sensiblement diluée par de l’eau douce. Les zones d’eaux saumâtres se trouvent principalement à proximité des glaces et aux embouchures de fleuves.

En dessous de 1g/l d’éléments dissouts, on parle d’eau douce.

Si la concentration en éléments dissouts peut varier d’une zone géographique à une autre, il est intéressant de noter que la proportion des différents composants reste la même.

Le schéma ci-dessous précise le pourcentage des principaux sels dissous, et donne leur concentration pour une salinité moyenne de 37,7 g/l.

schema principaux sels dissouts

L’eau de mer contient également des gaz dissouts : principalement de l’azote, de l’oxygène, et du gaz carbonique. Ces gaz dissouts sont eux-mêmes à l’origine de cinétiques de dégradations spécifiques.

L’eau de mer est légèrement basique, son pH se situe naturellement autour de 8. Localement, son pH peut diminuer et lui conférer un caractère acide, notamment en zone confinée portuaire, en conséquence de rejets liés à l’activité humaine.

Composition des bétons

Si la nature des principaux composants de l’eau de mer ne varie pas, il n’en est pas de même pour la nature des bétons.
Le béton est composé de granulats noyés dans une matrice de ciment durcie. C’est un matériau composite. Certaines caractéristiques peuvent également être obtenues grâce à l’apport d’additifs (adjuvants) inclus dans le ciment ou dans le béton frais.  Les variétés de granulats et de ciments pouvant entrer dans la composition d’un béton sont multiples.
Le choix des différents composants est établi en prenant en considération  plusieurs paramètres. Citons par exemple :

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  • la maniabilité recherchée lors de la mise en œuvre,
  • la résistance à la compression requise pour l’ouvrage,
  • l’environnement dans lequel se situe l’ouvrage…

(Les caractéristiques de composition et de performance auxquelles doit répondre un béton en fonction de son utilisation et de son environnement sont décrites par la norme NF EN 206-1).

Les granulats

Les granulats sont définis comme un ensemble de grains minéraux dont les tailles varient de 0 à 125 mm. Pour les bétons usuels, les principaux granulats utilisés sont les fillers (0 à 2 mm), les sables (0 à 4 mm), les graves (0 à 6,3 mm) et les gravillons (2 à 63 mm).
Leur origine minéralogique, leur mode d’extraction, leur forme, leur classe granulométrique, définiront leur qualités intrinsèques, et en partie celles du béton auquel ils seront incorporés. (Ces caractéristiques sont définies par la norme NF EN 620).
Leur caractéristiques impacteront le mode de mise en œuvre du béton, l’épaisseur d’enrobage des armatures, ou encore la nature du ciment composant le béton. 
Certaines pathologies sont directement liées aux interactions entre la nature du ciment et les granulats du béton (alcali-réaction). Ces phénomène sont aujourd’hui identifiés et ne sont pas à mettre directement en lien avec l’environnement marin. Cependant, des granulats d’origine marine mal lavés peuvent être à l’origine de processus pathogènes liés aux composants de l’eau de mer.

Le ciment

Le ciment est un composé minéral obtenu par la cuisson à 1450°C d’un mélange composé de 20% d’argile et de 80% de calcaire. Cette cuisson donne naissance à une roche artificielle appelée ‘clinker’. 
Le clinker, broyé et additionné de 5% de gypse, compose le Ciment Portland Artificiel (CEM I selon la norme NF EN 197-1). Il est le composant de base de toutes les variétés, très nombreuses, des ciments modernes.
Ces variétés décrites par la norme NF EN 197-1 sont établies en fonction des autres composés minéraux complétant cette base de CEM I (laitiers de haut fourneau, cendres volantes, pouzzolanes, fumées de silice…). Nous n’entrerons pas plus en détail sur ce vaste sujet.

Néanmoins, pour comprendre les interactions chimiques qui peuvent s’établir entre le béton et son environnement, il est important de connaitre la nature des 4 phases minérales anhydres composant le clinker :

-    Silicate  tricalcique (Alite)         (CaO)3SiO2                 noté C3S
-    Silicate  bicalcique (Bélite)        (CaO)2SiO2                 noté C2S
-    Aluminate tricalcique                (CaO)3 Al2O4              noté C3A
-    Aluminoferrite tétracalcique    (CaO)4 Al2O4Fe2O3   noté C4AF

(Par simplification,  l’industrie cimentière utilise les notations suivantes: CaO = C / SiO2 =S / Al2O3=A / Fe2O3=F / H20=H)

Ces 4 phases minérales, mélangées à l’eau de gâchage du béton, vont démarrer un processus de réactions physicochimiques complexes qui aboutira, après plusieurs jours, à l’obtention du béton totalement durci (on considère qu’un béton a obtenu toutes ses qualités  28 jours après sa mise en oeuvre).

Le béton durci est composé principalement de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de cristaux de portlandite (Ca(OH)2). Les bases en solution interstitielle lui confèrent un caractère très alcalin. Le pH initial est proche de 13.

Actions des chlorures

Ecaillage de surface

Composé majoritaire de tous les éléments dissous, le chlorure de sodium peut conduire, en cas d’évaporation de l’eau de mer, à une formation importante de cristaux (halite) associée à une augmentation des contraintes dans les espaces confinés superficiels du béton. 

En zone de marnage et en zone d’aspersion, par forte chaleur, les cycles humidification/séchage peuvent entrainer un écaillage de surface qui augmente la porosité du béton.

Lixiviation de la matrice cimentaire

Les chlorures de sodium et de magnésium, en combinaison avec la portlandite (Ca(OH)2),  entrainent la formation de chlorures de calcium selon les réactions :

Lixiviation matrice cimentaire 03

Le chlorure de calcium étant soluble, la matrice sédimentaire est délavée et se fragilise.

Gonflement du massif

Issu des réactions entre les chlorures de sodium, les chlorures de magnésium, et de la portlandite, le chlorure de calcium peut dans un deuxième temps se combiner à l’aluminate tricalcique du ciment (C3A) pour former du monochloroaluminate de calcium hydraté, appelé également sel de Friedel.

sel de friedel 02

Le  sel de Friedel ne revêt pas de caractère expansif. Mais en présence d’un apport de sulfates important (interne ou externe), il peut se former des trisulfoaluminates de calcium hydratés (Sel de Candlot = ettringite secondaire) présentant un caractère expansif.

Ce gonflement interne de la structure affecte ses caractéristiques mécaniques. Il se traduit par un faillançage visible en parement.

Actions sur les armatures

Les ions chlorures présents dans l’eau de mer se retrouvent par capillarité puis par diffusion dans les espaces inter-granulaires du béton. Les alternances humidification/séchage en zone de marnage, et une mauvaise compacité du béton sont 2 éléments accélérant le phénomène.


Il s’établit dans le béton un gradient de concentration en ions chlorures, décroissant de l’extérieur vers l’intérieur de l’ouvrage.


A partir d’une concentration critique en ions chlorure du liquide interstitiel baignant les armatures, ces dernières sont dépassivées et les processus de corrosion démarrent. Cette concentration en ions chlorure est empiriquement estimée à 0,4 % de la masse en ciment composant le béton.

Actions des sulfates

Formation d’ettringite

L’ettringite est issue de la combinaison d’aluminates et de sulfates en présence d’eau. Dans un béton,  3 processus de formation d’ettringite indépendants doivent être distingués :


L’ettringite de formation primaire n’a pas de caractère pathogène pour un béton. Elle est issue du processus normal d’hydratation de l’aluminate tricalcique (C3A) réagissant avec une source interne de sulfate. Cette source interne est principalement le gypse (CaSO4) entrant à hauteur de 5% de la composition du ciment comme régulateur de prise.


L’ettringite de formation différée revêt un caractère pathogène, mais elle est encore à mettre en relation avec une source de sulfate interne du béton. Elle est la conséquence de températures élevées au sein du massif (environ 70°C) lors du bétonnage. Dans de telles conditions, les réactions sulfatiques sont différées dans le temps, au sein du massif solidifié. Le massif subira alors les contraintes et les déformations  liées au caractère expansif de ces réactions.


L’ettringite de formation secondaire revêt un caractère pathogène et sa formation peut être directement liée à un apport extérieur en sulfates. Le milieu marin peut être cette source extérieure d’apport en sulfates. Lorsque le béton est altéré, fissuré, ou présente une porosité importante, les circulations d’eau interne véhiculeront les sulfates en solution, qui, par combinaison avec les aluminates, formeront des cristaux d’ettringite potentiellement expansifs.

Actions du magnésium

Affaiblissement de la matrice cimentaire

En combinaison avec les silicates de calcium hydratés (C-S-H), le magnésium peut conduire à la formation de silicates de magnésium hydratés (M-S-H). Ce phénomène va altérer la résistance du béton car le produit formé est beaucoup moins cohérent que le produit initial.

Action sur les armatures

L’action du magnésium sur le béton se manifeste également par la substitution du calcium de la portlandite par le magnésium.

En combinaison avec la portlandite (Ca(OH)2), le chlorure de magnésium peut conduire à la formation de brucite (Mg(OH)2) :

action armature 02

Cette action n’est pas préjudiciable pour le béton lui-même, mais elle est accompagnée d’une diminution du pH de la solution interstitielle. Comme nous l’avons vu précédemment,elle va donc favoriser les processus de dégradation des armatures métalliques par corrosion.

Les produits de corrosion présentent dans ce cas un volume plus important que celui de l’acier initial, entrainant un éclatement du béton au droit des lignes de ferraillage.

Actions du gaz carbonique

L’action du CO2 sur les bétons est bien identifiée pour les structures de génie civil. Cette action est optimale pour des environnements ayant un taux d’humidité relative proche de 60 %, ce qui n’est pas spécifiquement le cas des environnements maritimes, beaucoup plus saturés en eau.

La carbonatation doit cependant être mentionnée pour les pathologies en milieu marin car au-delà de son action propre, elle favorise l’action d’autres mécanismes pathogènes, comme par exemple l’action catalytique des ions chlorure pour les mécanismes de corrosion.

Le processus de carbonatation peut se décrire de la manière suivante :

Le CO2 atmosphérique tend naturellement à se combiner avec les composés hydratés. Dans les espaces capillaires des bétons, il se combine à la portlandite pour former du carbonate de calcium :

action gaz carbonique

Ce mécanisme a pour effet de durcir la surface du béton et de diminuer sa porosité. Il est donc bénéfique pour un béton ne comportant pas d’armature.

Mais en consommant la portlandite, ce mécanisme a également pour effet de diminuer l’alcalinité du béton. Comme nous l’avons évoqué précédemment, en dessous d’un pH proche de 9, les aciers sont dépassivés et les processus de corrosion démarrent.

Les produits de corrosion présentent dans ce cas un volume plus important que celui de l’acier initial, entrainant un éclatement du béton au droit des lignes de ferraillage.

CONCLUSION

Les interactions entre un béton et son environnement sont complexes et nombreuses. Elles se conjuguent par ailleurs les unes avec les autres, et les pathologies observées sur les ouvrages sont plus les conséquences d’un ensemble de phénomènes interdépendants que le résultat d’une cause simple et unique.

Les compositions de bétons tiennent compte des propriétés recherchées durant la vie de l’ouvrage. Elles sont donc multiples et non exhaustives. Les principales pathologies liées aux éléments chimiques présents dans l’eau de mer sont aujourd’hui connues, et les formulations actuelles permettent d’éviter l’apparition des désordres.

Mais au-delà de la complexité des interactions chimiques entre les bétons et l’eau de mer, l’analyse d’une pathologie prendra également en considération l’ensemble des paramètres liés à l’environnement passé et actuel de l’ouvrage, tel que les conditions d’exploitation de la structure, ou encore les conditions de mise en œuvre lors du bétonnage…

De la même façon, les bétons actuels des ouvrages maritimes devant être formulés spécifiquement avec des ciments prise mer, la meilleure protection des ouvrages vis-à-vis des agressions chimiques extérieures réside dans la qualité de mise en œuvre, en veillant particulièrement au respect des épaisseurs d’enrobage des armatures et à la bonne compacité du béton.