Mécanismes de corrosion des armatures en acier dans le béton

Dans des conditions normales, les armatures enrobées d’un béton compact et non fissuré sont protégées naturellement des risques de corrosion par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface de l’acier, d’une pellicule protectrice Fe₂O₃CaO (dite de passivation).



Cette pellicule est formée par l’action de la chaux libérée par les silicates de calcium sur l’oxyde de fer. La présence de chaux maintient la basicité du milieu entourant les armatures (l’hydratation du ciment produit une solution interstitielle basique de pH élevé de l’ordre de 12 à 13). Les armatures sont protégées tant qu’elles se trouvent dans un milieu présentant un pH compris entre 9 et 13,5.

Deux principaux phénomènes peuvent dans certaines conditions détruire cette protection et initier la corrosion des armatures en acier :

• la carbonatation du béton d’enrobage par l’adsorption du gaz carbonique contenu dans l’atmosphère;
• la pénétration des ions chlorures, jusqu’au niveau des armatures.

La plus ou moins grande rapidité d’action de ces divers phénomènes est fonction de l’humidité ambiante, de la porosité du béton et de la présence de fissures qui favorisent la diffusion des gaz ou des liquides agressifs. Le diagnostic des ouvrages affectés par une détérioration du béton d’enrobage recouvrant les armatures révèle que les dommages sont dus, dans la grande majorité des cas, à une épaisseur d’enrobage trop mince et/ou à un béton d’enrobage trop poreux et pas assez résistant.

Carbonatation

La carbonatation du béton par le gaz carbonique de l’air (CO2) est un phénomène naturel qui n’est pas nocif pour le béton. Au cours de la prise et du durcissement, les ciments se combinent avec l’eau pour former des produits hydratés de caractère basique. Certains de ces produits [KOH, NaOH et Ca(OH)₂] restent dissous dans la solution aqueuse interstitielle du béton (dont le pH est compris entre 12 et 13). Le gaz carbonique contenu dans l’air a tendance à se combiner avec les produits hydratés, en commençant par les bases alcalines dissoutes dans la solution aqueuse interstitielle, en particulier le Ca(OH)₂, selon une réaction produisant du carbonate de calcium CaCO₃ :





Le milieu basique (pH 12 à 13) se trouve progressivement modifié par la neutralisation de l’alcalinité du ciment pour atteindre un pH de l’ordre de 9, n’assurant plus la protection des armatures et entraînant une dépassivation de l’acier (destruction de la couche de passivation), ce qui développe une réaction d’oxydation à la surface des armatures.

La progression de la carbonatation se fait de l’extérieur de l’ouvrage, en contact avec l’air ambiant, vers l’intérieur. Dans un premier temps, la vitesse de propagation est ralentie par la formation des carbonates qui colmatent partiellement la porosité. Elle diminue donc avec la profondeur atteinte. Dans un second temps, la carbonatation a pour conséquence une neutralisation (chute du pH de la solution interstitielle) du milieu de protection des armatures, qui peuvent alors s’oxyder. La cinétique du processus dépend de la teneur en dioxyde de carbone et de la facilité avec laquelle le gaz carbonique pénètre dans les pores du béton.

Cette progression est fonction de paramètres liés aux caractéristiques du béton (nature et dosage du ciment, dosage en eau, porosité et perméabilité) et au milieu environnant. Plus le béton est compact, le dosage en ciment élevé, le rapport eau/ciment faible et la résistance du béton élevée, plus la progression du front de carbonatation est lente. Tout ce qui conduit à diminuer la porosité du béton retarde l’échéance de dépassivation des armatures.

L’humidité relative de l’air joue, en particulier, un rôle important : la vitesse de carbonatation est maximale pour une humidité relative de l’ordre de 60 %, pratiquement nulle en atmosphère sèche ou pour des bétons complètement saturés en eau.

La cinétique et la profondeur de carbonatation d’un béton sont donc fonction de sa composition, de sa structure poreuse, de la classe d’exposition et de l’humidité relative dans laquelle est situé l’ouvrage. Elle dépend aussi de la concentration en dioxyde de carbone et de la température de l’atmosphère environnant.

Pour un béton courant, l’épaisseur de la couche carbonatée augmente proportionnellement à la racine carrée du temps.

De nombreuses études ont démontré que la migration du dioxyde de carbone à travers la texture poreuse du béton est significativement réduite lorsque la compacité du béton d’enrobage est augaugmentée. La porosité totale du béton et la distribution de la taille des pores sont les paramètres déterminants pour la diffusivité du dioxyde de carbone.

L’augmentation de la compacité est obtenue en particulier en réduisant le rapport E/C. Ce rapport conditionne la perméabilité du béton donc l’interconnexion du réseau poreux et par conséquent, la vitesse ainsi que la possibilité de diffusion des gaz et des ions dans le béton. Une cure prolongée permet d’augmenter la résistance du béton à la pénétration du dioxyde de carbone en améliorant les propriétés de surface du béton.

Action des chlorures

L’action des chlorures est spécifique à certains environnements dans lesquels peut se trouver le béton comme les ouvrages soumis aux sels de déverglaçage ou situés en site maritime (zone de marnage, surfaces soumises aux embruns). Les ions chlorures peuvent pénétrer par diffusion ou migrer par capillarité à l’intérieur du béton, franchir la zone d’enrobage, atteindre les armatures, et provoquer des corrosions (par mécanisme de dissolution du métal suivant une réaction d’oxydoréduction métal → ions métal Mn⁺ + n électrons, d’abord ponctuelle (corrosion par piqûres) puis généralisée à toute la surface de l’acier. La vitesse de pénétration des chlorures dépend aussi de la porosité du béton. Elle décroît lorsque le rapport eau/ciment diminue.



La corrosion s’amorce dès que la teneur en chlorures au niveau des armatures atteint un certain seuil de dépassivation. Ce seuil est fonction du pH de la solution interstitielle et de la teneur en oxygène au niveau des armatures ; il est de l’ordre de 0,4 à 0,5 % par rapport au poids du ciment. Il est atteint plus rapidement si le béton est carbonaté.

Effets de la corrosion

Le développement de la corrosion des armatures peut provoquer par gonflement une poussée sur le béton d’enrobage (les oxydes de fer étant plus volumineux que l’acier, ils génèrent des contraintes internes dans le béton qui peuvent être supérieures à sa résistance en traction) et donc une altération de l’aspect extérieur de l’ouvrage (éclatements localisés, formations de fissures, formations d’épaufrures, apparitions en surface de traces de rouille et éventuellement mise à nu des armatures) entraînant une réduction de la section efficace de l’armature et de son adhérence au béton.

En règle générale, dans des milieux peu agressifs les enrobages et les caractéristiques des bétons (compacité, homogénéité, résistance) préconisés sont suffisants pour garantir la protection naturelle des aciers durant la durée de service escomptée de l’ouvrage.

Toutefois, des défauts d’enrobage, des bétons mal vibrés et de ce fait trop poreux, ou des milieux très agressifs, risquent de conduire à une dégradation prématurée de l’armature en acier.