Mécanismes développés par le gel et les sels de déverglaçage

Les mécanismes de dégradation du béton sont liés à l’alternance de cycles répétés de phases de gel et de dégel. Le risque de désordres est d’autant plus élevé que le degré de saturation en eau du béton est important. C’est le cas notamment des parties d’ouvrages non protégées des intempéries et en contact direct avec des eaux saturées en sel. Une formulation mal adaptée et une mise en oeuvre incorrecte du béton peuvent amplifier les dégradations.



Ce phénomène est aggravé, en surface, par l’application des sels de déverglaçage (ou fondants routiers), qui engendrent un accroissement des gradients de concentrations en sels, générant ainsi des pressions osmotiques plus élevées.

Les dégradations occasionnées par le gel peuvent être de deux types :

• une microfissuration répartie dans la masse du béton (feuilletage parallèle aux parois), provoquée par un mécanisme de gel interne;
• un délitage de la zone superficielle (dégradation superficielle), appelé écaillage, sous l’effet conjugué des cycles de gel-dégel et des sels de déverglaçage.

Un gradient thermique important au voisinage de la surface, générée par l’application des sels à titre curatif sur un film de glace, amplifie la dégradation de surface.

Ces deux formes de dégradation peuvent se produire simultanément ou de manière indépendante, elles peuvent affecter la durabilité de la structure et en particulier la pérennité architecturale des ouvrages.

Action des cycles gel-dégel

Il est généralement admis que l’accroissement de volume, de l’ordre de 9 %, accompagnant la transformation de l’eau en glace (le béton contient toujours de l’eau non combinée, une partie de cette eau gèle dès que la température descend de quelques degrés en dessous de 0 °C) n’est pas la seule cause de la dégradation du béton.

Dans la zone atteinte par le gel, des cristaux de glace se forment dans les plus gros capillaires, créant un déséquilibre thermodynamique qui va déclencher une migration de l’eau des capillaires les plus fins vers les capillaires dans lesquels l’eau est gelée (l’eau dans les capillaires les plus fins restant à l’état liquide). C’est l’accroissement des pressions hydrauliques dans les capillaires, engendré par ces mouvements de l’eau interne non gelée vers les « fronts de congélation », ainsi que les pressions osmotiques créées par les différences de concentrations en sels dissous entre l’eau située à proximité de l’eau gelée et celle non gelée (présente dans les capillaires fins), qui est considéré aujourd’hui comme la cause principale des dégradations. Ces pressions (hydrauliques et osmotiques) peuvent localement fissurer la pâte de ciment, si elles sont supérieures à la résistance à la traction de la pâte. Ce sont les modifications répétées et alternées de température (température positive à température négative) qui après un certain nombre de cycles peuvent dégrader le béton. Les dégradations sont le résultat d’un endommagement progressif. Elles dépendent de la vitesse de descente en température, du nombre de cycles et de la durée du gel.

Les dégradations de gel interne ne se produisent pas lorsqu’il existe dans le béton un réseau de petites bulles d’air, dense et homogène, permettant le déplacement de l’eau ou lorsque la quantité d’eau gelable est suffisamment faible (c’est le cas de certains BHP qui ont une compacité très élevée).

Pour empêcher l’apparition de pressions excessives dans le béton, il est possible de créer, grâce à un agent entraîneur d’air, un réseau de bulles qui doivent être nombreuses, de petites dimensions, bien réparties et suffisamment rapprochées. Le respect de la quantité d’air entraîné dans un béton n’est pas suffisant pour garantir sa résistance au gel, il faut créer un véritable réseau de bulles d’air. Leurs dimensions ne doivent pas dépasser quelques dizaines de microns. Leur espacement, qui détermine le niveau de pression, proportionnel au trajet parcouru par l’eau pour atteindre le front de gel le plus proche, doit être inférieur à une valeur seuil de l’ordre de quelques centaines de microns. Ce réseau de bulles va servir de « vases d’expansion » permettant les mouvements de l’eau et la formation de glace sans préjudice pour le matériau.



L’agent entraîneur d’air a un double rôle :

• maintenir dans le béton un pourcentage d’air de l’ordre de 3 à 8 % du volume de béton;
• fractionner les bulles en de nombreuses petites bulles de faibles dimensions (créer le plus grand nombre de bulles de petites dimensions).

L’utilisation d’un agent entraîneur d’air permet de stabiliser les bulles qui ont été créées au moment du malaxage, sous forme d’un réseau homogène et dense de petites bulles d’air.

Un réseau efficace de bulles d’air est caractérisé par deux paramètres :

• le volume d’air total exprimé en pourcentage du volume du béton (la mesure de ce paramètre est effectuée sur béton frais au moyen d’un aéromètre);
• le facteur d’espacement des bulles d’air L (barre) qui correspond approximativement à la demidistance moyenne séparant les parois de deux bulles voisines, d’un réseau supposé régulier. Il représente la distance moyenne que doit parcourir l’eau pour atteindre une bulle d’air. Il conditionne la tenue au gel des bétons formulés avec un agent entraîneur d’air, sa valeur doit être inférieure à des valeurs seuil.

Action des sels de déverglaçage

La cause principale des dégradations de surface pouvant résulter de la diffusion des sels de déverglaçage dans les capillaires du béton est un accroissement des pressions osmotiques.

L’importante chute de température de surface, due à la quantité de chaleur consommée pour provoquer la fusion de la glace, amplifie les effets du gel dans la zone du béton proche de la surface (la chute de température de surface peut atteindre 4 °C/minute au lieu de 4 °C/heure habituellement). La peau du béton va donc se refroidir brutalement. Mais ce phénomène est rarement générateur d’un écaillage, car les sels de déverglaçage sont répandus dans la plupart des cas à titre préventif sur les ouvrages d’art des réseaux routier et autoroutier, pour garantir la sécurité des usagers. Il n’y a donc pas de film de glace lorsque les sels sont répandus.

Parallèlement aux phénomènes essentiellement d’ordre physique, la présence des chlorures doit être considérée en vue de se prémunir des risques de corrosion des armatures, en respectant de manière rigoureuse les prescriptions relatives à l’enrobage.