Pathologies du Béton

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1. Généralités sur les Pathologies du Béton Définition: Altérations des propriétés initiales du béton, compromettant sa durabilité ou sa performance structurelle. Causes Générales: Facteurs intrinsèques (composition du béton) Facteurs extrinsèques (environnement, sollicitations) Erreurs de conception ou d'exécution Conséquences: Fissuration, dégradation de surface, perte de résistance, corrosion des armatures. 2. Pathologies Chimiques 2.1 Carbonatation Explication: Le dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$) de l'air pénètre le béton et réagit avec l'hydroxyde de calcium ($\text{Ca(OH)}_2$), un constituant alcalin du ciment hydraté, pour former du carbonate de calcium ($\text{CaCO}_3$). $$ \text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O} $$ Cette réaction abaisse le pH du béton de $12-13$ (alcalin, protecteur) à $8-9$ (neutre, favorisant la corrosion des armatures). Exemple: Un parking souterrain mal ventilé où l'air est riche en $\text{CO}_2$. Béton Armature d'acier CO2 Zone Carbonatée (pH < 9) Schéma: Pénétration du $\text{CO}_2$ et front de carbonatation. Valeurs Numériques & Références: Vitesse de carbonatation: $x = k \sqrt{t}$. La valeur de $k$ dépend de la qualité du béton (rapport E/C, compacité) et de l'environnement (humidité, concentration en $\text{CO}_2$). Eurocode 2 (EN 1992-1-1) et NF EN 206/CN : définissent les classes d'exposition (XC1 à XC4) pour le risque de carbonatation, qui imposent des exigences sur l'enrobage minimal des armatures et la composition du béton (résistance minimale, rapport E/C maximal, teneur minimale en ciment). L'enrobage minimal varie de $10 \text{ mm}$ (XC1, dalle sans importance) à $55 \text{ mm}$ (XC4, environnement très humide). 2.2 Corrosion des Armatures Explication: Une fois le béton dépassivé (par carbonatation ou chlorures), l'acier des armatures, en présence d'eau et d'oxygène, s'oxyde. Le fer se transforme en oxyde de fer (rouille), dont le volume peut être $2$ à $6$ fois supérieur à celui du fer initial. Cette expansion génère des pressions internes qui fissurent et font éclater le béton d'enrobage. $$ \text{Fe} + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot \text{nH}_2\text{O} \text{ (rouille)} $$ Exemple: Un balcon dont l'enrobage est insuffisant, exposé aux intempéries, montrant des taches de rouille et des fissures parallèles aux armatures. Pression de la rouille Fissures d'éclatement Schéma: Fissuration due à l'expansion de la rouille. Valeurs Numériques & Références: La pression exercée par la rouille peut atteindre $10$ à $30 \text{ MPa}$, largement suffisante pour fissurer le béton dont la résistance en traction est de $2$ à $5 \text{ MPa}$. Eurocode 2 (EN 1992-1-1) et NF EN 206/CN : Définissent les classes d'exposition (XD1 à XD3 pour les chlorures d'origine non marine, XS1 à XS3 pour les chlorures d'origine marine) qui déterminent l'enrobage minimal et les exigences de composition du béton pour protéger contre la corrosion. Teneur maximale en ions chlorures dans le béton: NF EN 206/CN spécifie des limites (ex: $0.2\% \text{ Cl}^-$ par rapport à la masse de ciment pour les bétons armés exposés aux chlorures). 2.3 Réaction Alcali-Granulats (RAG) Explication: Réaction entre les alcalis hautement solubles du ciment ($\text{Na}_2\text{O}$, $\text{K}_2\text{O}$) et certains constituants réactifs (silice amorphe) de certains granulats. Cette réaction forme un gel hygroscopique qui absorbe l'eau et gonfle, générant des pressions internes. $$ \text{Alcalis} + \text{Silice Réactive} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Gel expansif} $$ Exemple: Un barrage en béton construit avec des granulats réactifs, montrant des fissurations en "carte géographique" plusieurs années après sa construction. Fissuration en "carte géographique" Schéma: Aspect typique des fissurations dues à la RAG. Valeurs Numériques & Références: Norme NF P 18-545 (Granulats - Éléments de la spécification) et NF EN 206/CN : Réglementent l'utilisation des granulats et les teneurs en alcalis dans le béton. La teneur en alcalis équivalents du ciment est souvent limitée à $0.6\%$ ($\text{Na}_2\text{O}_{\text{eq}}$) pour prévenir la RAG avec des granulats potentiellement réactifs. Des essais de réactivité des granulats (ex: essai accéléré sur mortier selon NF P 18-594 ) sont prescrits pour évaluer leur risque. 2.4 Attaque Sulfatique Explication: Les ions sulfates ($\text{SO}_4^{2-}$) provenant de l'extérieur (eaux souterraines, sols argileux) ou de l'intérieur (granulats, ciment) réagissent avec les aluminates de calcium hydratés du ciment. Cette réaction forme des composés expansifs comme l'ettringite et/ou le gypse, qui provoquent des gonflements et des fissurations. $$ \text{C-A-H} + \text{SO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ettringite} (\text{expansif}) $$ Exemple: Des fondations en béton dans un sol riche en gypse, montrant des déformations et des fissurations du béton. Sulfates Gonflement et fissuration Schéma: Pénétration des sulfates et gonflement interne. Valeurs Numériques & Références: NF EN 206/CN : Définit les classes d'exposition XA1 à XA3 (agression chimique) en fonction de la concentration en sulfates dans le sol ou l'eau, et les exigences correspondantes sur la composition du ciment (types de ciments résistants aux sulfates, teneur maximale en $\text{C}_3\text{A}$). Les ciments de type CEM I-PM, CEM III, CEM V sont souvent recommandés pour ces environnements. 3. Pathologies Physiques 3.1 Gel-Dégel Explication: L'eau contenue dans les pores du béton gèle et se transforme en glace. L'eau a la particularité de prendre environ $9\%$ plus de volume en gelant. Cette expansion génère des pressions internes qui peuvent dépasser la résistance en traction du béton, provoquant des microfissures, puis des éclats (écaillage, délamination). $$ \text{H}_2\text{O}_{\text{liquide}} \rightarrow \text{H}_2\text{O}_{\text{solide}} (\text{volume augmenté de } 9\%) $$ Exemple: Une dalle extérieure non protégée, soumise à des cycles de gel-dégel fréquents, montrant une surface dégradée et écaillée. Eau dans les pores Gel Écaillage et fissuration Schéma: Expansion de l'eau gelée dans les pores du béton. Valeurs Numériques & Références: NF EN 206/CN : Définit les classes d'exposition XF1 à XF4 (gel/dégel avec ou sans agent de déverglaçage). Pour les classes XF, l'utilisation de béton avec entraînement d'air est souvent rendue obligatoire. Le taux d'air occlus recommandé est généralement de $3\%$ à $6\%$ pour des granulats de taille maximale de $20 \text{ mm}$. Les granulats utilisés doivent être résistants au gel (essai de gélivité selon NF EN 1367-1 ). 3.2 Retrait (Plastique, Séchage, Thermique) Explication: Retrait Plastique: Perte d'eau par évaporation rapide de la surface du béton frais avant la prise. Retrait de Séchage: Perte d'eau non liée à l'hydratation après la prise, due au séchage du béton durci. Retrait Thermique: Contraction du béton due au refroidissement, soit après l'hydratation exothermique, soit suite à des variations de température ambiante. Ces contractions génèrent des contraintes de traction qui peuvent causer des fissurations si elles dépassent la résistance du béton. Exemple: Plastique: Une dalle fraîchement coulée exposée au soleil et au vent, montrant des fissures courtes et superficielles. Séchage: Une longue dalle sans joints de dilatation adéquats, développant des fissures plus profondes et espacées sur plusieurs mois. Fissure de retrait Fissure de retrait Fissure de retrait Perte d'eau Schéma: Fissures de retrait de séchage sur une dalle. Valeurs Numériques & Références: Eurocode 2 (EN 1992-1-1) : Fournit des méthodes de calcul du retrait de séchage et de fluage. Le retrait de séchage peut varier de $200$ à $800 \mu\text{m/m}$ en fonction de la composition du béton et de l'humidité ambiante. Le coefficient de dilatation thermique du béton est d'environ $10 \times 10^{-6} / {^{\circ}\text{C}}$ (selon Eurocode 2 ). La mise en place de joints de retrait ou de dilatation est réglementée par des documents tels que le DTU 21 (Exécution des ouvrages en béton). 4. Pathologies Mécaniques 4.1 Surcharges et Tassements Différentiels Explication: Surcharges: Lorsque les efforts appliqués à la structure (poids propre, charges d'exploitation, vent, neige) dépassent les capacités de résistance calculées, cela peut entraîner des déformations excessives et des ruptures. Tassements Différentiels: Un affaissement inégal du sol sous les fondations d'une structure, résultant en des contraintes internes non prévues dans le béton, provoquant fissurations et déformations. Exemple: Surcharge: Un entrepôt dont la dalle de stockage est fissurée et fléchie suite à l'empilement excessif de marchandises. Tassement: Un bâtiment dont une partie des fondations repose sur un sol compressible et l'autre sur un sol rocheux, montrant des fissures importantes et diagonales dans les murs. Tassement différentiel Schéma: Fissuration d'un mur due à un tassement différentiel. Valeurs Numériques & Références: Eurocode 1 (EN 1991) : Spécifie les charges et actions sur les structures (poids propres, charges d'exploitation, vent, neige, séismes). Les valeurs des charges sont définies pour différentes catégories d'usage des bâtiments (ex: $2.0-5.0 \text{ kN/m}^2$ pour les bâtiments résidentiels/bureaux). Les tolérances de tassements différentiels sont souvent de l'ordre de $1/300$ à $1/500$ de la portée ou de la longueur de l'élément pour éviter des désordres structurels (selon les recommandations de l' Eurocode 7 - Géotechnique ). 4.2 Fissuration Structurelle Explication: Apparaît lorsque les contraintes (traction, compression, cisaillement, flexion) dans le béton armé dépassent les limites de résistance du matériau ou des armatures. Ces fissures sont souvent profondes, traversantes et peuvent compromettre la stabilité de la structure. Exemple: Une poutre en béton armé présentant des fissures diagonales prononcées au niveau des appuis, indiquant une défaillance par cisaillement. Charge Fissures de cisaillement Schéma: Fissures diagonales dans une poutre due au cisaillement. Valeurs Numériques & Références: Eurocode 2 (EN 1992-1-1) : Réglemente le calcul et le dimensionnement des structures en béton armé et précontraint. Il fixe les valeurs des résistances caractéristiques des matériaux ($\text{f}_{\text{ck}}$ pour le béton, $\text{f}_{\text{yk}}$ pour l'acier) et les coefficients partiels de sécurité. Les critères de limitation de l'ouverture des fissures sont définis par l' Eurocode 2 . Pour les bétons armés non précontraints, la largeur de fissure admissible $\text{w}_{\text{k}}$ varie de $0.2 \text{ mm}$ (environnements agressifs) à $0.4 \text{ mm}$ (environnements non agressifs). 5. Diagnostic et Réparation 5.1 Méthodes de Diagnostic Visuel: Inspection des fissures (type, largeur, profondeur, localisation), décolorations, déformations. Largeur des fissures: Eurocode 2 utilise la largeur caractéristique $\text{w}_{\text{k}}$ pour la vérification de l'état limite de service. Essais in situ: Carottage: Prélèvement d'échantillons pour analyses en laboratoire. Scléromètre (marteau de Schmidt): Mesure de la dureté superficielle, donne une estimation de la résistance en compression (corrélation selon NF EN 12504-2 ). Ultrasons: Mesure de la vitesse de propagation des ondes pour évaluer l'homogénéité et détecter les défauts internes (selon NF EN 12504-4 ). Radar (géoradar): Détection des armatures, vides, ou zones humides. Mesure de profondeur de carbonatation: Application de phénolphtaléine (vire au rose si $\text{pH} > 9$). Essais en laboratoire: Analyse pétrographique: Examen microscopique de la composition et des altérations (selon NF EN 12504-1 pour les carottes). Analyse chimique: Détermination des teneurs en chlorures, sulfates, alcalis. Essais mécaniques: Résistance à la compression, traction, module d'élasticité (selon NF EN 12390 ). 5.2 Principes de Réparation Les techniques de réparation sont souvent régies par des normes spécifiques et des guides techniques (ex: guides du CERIB , normes de la série NF EN 1504 pour les produits et systèmes de réparation et de protection des structures en béton). Injections: Pour les fissures fines (largeur $> 0.1 \text{ mm}$) avec des résines époxy ou des coulis de ciment. Ragréage/Reprofilage: Application de mortiers de réparation (à base de ciment ou de résine) conformes à la NF EN 1504-3 . Protection des armatures: Nettoyage, application de produits passivants conformes à la NF EN 1504-7 . Remplacement si perte de section $> 10-15\%$ (valeur indicative, dépend de l'importance de l'armature). Renforcement structurel: Platres collées: Adjonction de tôles d'acier par collage. Fibres de carbone (PRFC): Bandes ou lamelles collées pour améliorer la résistance à la flexion ou au cisaillement. L'utilisation et le dimensionnement sont souvent basés sur des guides techniques spécifiques et retours d'expérience. Prévention: Amélioration du drainage, revêtements protecteurs (peintures, résines) conformes à la NF EN 1504-2 , systèmes de protection cathodique.