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 Bulletins techniques
février 2011

Dégradation du béton dans les infrastructures

Par Louis-Samuel Bolduc ing., M. Sc., Frédéric Gagnon ing., M. Sc.,

La durabilité des infrastructures de béton est un sujet qui, aujourd'hui, suscite un intérêt grandissant, particulièrement dans les régions froides. L'entretien et la réfection de ces structures exigent une part croissante des fonds publics puisque plusieurs ouvrages arrivent à la fin de leur vie utile. Par exemple, en janvier 2009, un investissement de 16,2 milliards de dollars a été effectué par le gouvernement provincial pour améliorer l'état des chaussées et poursuivre les travaux entrepris pour la réfection des ponts et des viaducs du Québec.

Cet article est le premier d'une série de deux portant sur les mécanismes de dégradation du béton. Dans cette première partie, il est principalement question de la détérioration des infrastructures publiques (ponts, viaducs, quais, stationnements, etc.) et des trois principaux problèmes de durabilité qui y sont associés, c'est-à-dire la corrosion des aciers d'armature, les effets des cycles de geldégel et la réaction alcali-granulats.

Corrosion des aciers d'armature

Figure 1 : Éclatement du béton de recouvrement

Le mécanisme de dégradation du béton le plus coûteux actuellement est la corrosion des aciers d'armature. La corrosion est la détérioration du fer par la réaction du métal avec l'eau et l'oxygène pour former un oxyde de fer (la rouille). Les produits de cette réaction occupent un volume supérieur à celui des réactifs, ce qui engendre des contraintes sur le matériau enrobant les barres. La couche de béton recouvrant les armatures (aussi appelée béton de recouvrement) agit comme une barrière et protège l'acier contre les agents agressifs. L'éclatement du béton de recouvrement causé par la corrosion dégage l'armature, ce qui vient largement diminuer la durée de vie utile de l'ouvrage puisqu'il n'y a alors plus de barrière pour protéger l'acier (voir figure 1).

Pourquoi y a-t-il corrosion de l'acier d'armature? Dans un béton sain, le pH de la solution contenue dans la porosité du béton est très élevé (pH?13) et il se forme un film protecteur à la surface de l'acier. L'acier est dit "passivé". Cet état de passivation est détruit lorsque certains agents agressifs pénètrent dans le béton jusqu'à l'acier d'armature. Les deux principaux mécanismes qui attaquent l'état de passivation sont la carbonatation (c'est-à-dire la diminution du pH causée par la pénétration de CO2) et la pénétration des ions chlorures (provenant des sels de déglaçage ou de l'eau de mer). Ainsi, quand l'état de passivation est brisé, la corrosion est susceptible d'être initiée.

Pour limiter les problèmes de corrosion, il faut donc améliorer la barrière protectrice de l'acier. Pour ce faire, il faut utiliser un béton de qualité (faisant ralentir la pénétration des agents agressifs) et augmenter l'épaisseur du béton de recouvrement. De plus, il est aujourd'hui possible d'utiliser des armatures qui ne corrodent pas (acier inoxydable, matériaux composites) ou de recourir à des solutions alternatives, comme les champs électriques, les anodes sacrificielles de zinc, les agents migrateurs inhibiteurs de corrosion, etc.

Effets du gel

Il est souvent question que les infrastructures soient endommagées par les effets du gel, mais qu'en est-il en réalité? Comment le gel endommage-t-il un matériau comme le béton? La réponse est très simple : l'eau gonfle lorsqu'elle gèle (augmentation du volume d'environ 9 %). Comment cette augmentation de volume affecte-t-elle l'intégrité structurale du matériau? Le problème vient du fait que l'eau est confinée dans la porosité du béton et qu'elle n'a pas l'espace nécessaire pour prendre son expansion. Ce phénomène entraîne donc des contraintes dans la matrice cimentaire et génère de la microfissuration. Au dégel, l'eau redevient liquide et remplit les microfissures. Au cycle de gel suivant, les microfissures sont agrandies par l'eau qui gonfle et ainsi de suite. Après plusieurs cycles de gel-dégel, l'état de microfissuration est tellement avancé que les résistances mécaniques et la rigidité du béton sont largement diminuées.

Pour contrer les effets néfastes du gel, on utilise un adjuvant chimique appelé agent entraîneur d'air. Ce produit est similaire à du savon à vaisselle. Il agit sur la tension de surface de l'eau pour former de microscopiques bulles d'air dans la masse de béton. Ces bulles opèrent comme des "soupapes" où l'eau sous pression peut se décharger lors du gel. Pour offrir une protection efficace contre le gel, les bulles doivent être nombreuses, uniformément distribuées et rapprochées les unes des autres pour que la pression puisse facilement se libérer des pores du béton. Les propriétaires d'ouvrages spécifient des limites très strictes quant à la distribution des bulles d'air dans le béton.

Réaction alcali-granulats

Figure 2 : Cas avancé de RAG (échangeur Charest/Robert-Bourassa, Québec)

Une troisième pathologie du béton, qui est largement étendue sur le territoire québécois, est causée par ce qui est communément appelé la réaction alcali-granulats (RAG). La RAG est une réaction chimique entre la solution contenue dans la porosité du béton et les espèces chimiques comprises dans certains granulats. Le produit de cette réaction est un gel expansif se formant autour des granulats. Ce gonflement provo - que des pressions internes, ce qui mène à la fissuration du béton (voir figure 2).

Au Québec, la RAG est un problème très présent puisque plusieurs carrières contiennent des granulats réactifs. Bien qu'elle n'engendre pas nécessairement de problèmes structuraux, la RAG peut contribuer à accélérer les désordres et les coûts pour y remédier sont très élevés. Par exemple, le montant nécessaire pour la réfection de la Centrale hydro-électrique de Beauharnois (barrage atteint de RAG) était de l'ordre de 1,5 milliard de dollars!

Différents chapitres de la norme canadienne CSA-A23.2 expliquent comment identifier et prévenir des problèmes de RAG. Toutefois, il n'existe pratiquement aucune méthode de réparation reconnue et acceptée. Un effort de recherche mondial est en cours pour le développement de nouvelles méthodes de réfection.

Conclusion

Le béton peut subir différents mécanismes de dégradation. Dans le cas particulier des infrastructures publiques exposées aux intempéries, les trois principales pathologies pouvant attaquer l'intégrité des structures sont la corrosion des aciers d'armature, les effets du gel et la réaction alcali-granulats. Il existe des moyens très efficaces pour contrôler ces mécanismes de dégradation, mais des vices de conception et de construction peuvent rapidement transformer des structures en un état lamentable et dangereux.

Il existe d'autres modes de détérioration du béton. Il s'agit de mécanismes qui, même s'ils ne sont pas aussi répandus que ceux présentés dans cet article, causent bien des maux de tête aux propriétaires, ingénieurs et assureurs. Il est question d'attaques chimiques pouvant mener à la mise hors service de fondations, de silos, de réseaux d'égouts, etc. Ces attaques seront traitées dans la suite de cet article.