Le béton armé

Le béton armé 

Le béton armé est l’assemblage judicieux et intime d’armatures métalliques, habituellement en acier doux, et de béton (figure I.1) afin de compenser la mauvaise tenue de ce dernier à la traction. Cet assemblage est rendu possible grâce au coefficient de dilatation thermique identique de ces différents matériaux. Le béton fournit aux barres d’acier une protection à la fois physique et chimique. La protection physique est assurée par la densité et la relative imperméabilité de sa structure. La protection chimique, quant à elle, provient de l’alcalinité très élevée (pH > 12,5) de la solution interstitielle contenue dans les pores du béton [1].

Le béton 

Le béton est le matériau le plus consommé dans le monde après l’eau [2]. Il représente 90% du marché de construction [3]. C’est un matériau composite, alcalin (pH > 12,5) et fragile, issu d’un mélange de :

➤ liants : ciments artificiels (de 7% à 14% en volume) ;
➤ granulats naturels ou artificiels : sables, graviers… (60% à 70% en volume) ;
➤ eau (14% à 22% en volume) ;
➤ et éventuellement d’adjuvants : entraîneur d’air, plastifiant, inhibiteurs… (inférieur à 2% en volume).

Composition des bétons 

Le ciment 

Le ciment ou liant hydraulique est une poudre minérale, composée d’un ou de plusieurs constituants, les plus importants étant [4] :

➤ Le clinker obtenu par broyage d’une roche artificielle appelée cru (mélange de 80% de calcaire et de 20% d’argile) à 1450°C. Les principaux constituants du clinker sont les silicates tricalciques (3CaO.SiO2) et bicalciques (2CaO.SiO2), les aluminates tricalciques (3CaO.Al2O3) dont l’hydratation conduit à la formation de la portlandite (Ca(OH)2), ainsi que les aluminoferrites tétracalciques (4CaO.Al2O3.Fe2O3) [5]. Le clinker contient toujours des oxydes alcalins (Na2O, K2O) en faible quantité par rapport aux constituants minéraux. Leur dissolution partielle et progressive dans la solution interstitielle du béton permet le maintien d’un pH élevé (entre 12,4 et 13,6) qui va être un point essentiel pour la durabilité des armatures [6,7] ;
➤ Les laitiers obtenus par refroidissement brusque de scories fondues provenant du traitement des minerais de fer en haut fourneau. Chimiquement le laitier est un mélange de chaux (CaO, obtenue par calcination de calcaire), de silice et d’alumine. Le laitier présente des propriétés hydrauliques lui permettant de réagir avec l’eau sous l’effet d’un activant (clinker ou chaux)[8];
➤ Les cendres volantes ayant des propriétés pouzzolaniques (aptitude d’un matériau à se combiner à température ambiante et en présence d’eau à la chaux ou la portlandite);
➤ Les fillers qui sont des matières minérales améliorant les propriétés physiques du ciment;
➤ Les fumées de silice issues de la réduction de quartz par du charbon dans des fours utilisés pour la production de silicium et d’alliages de ferrosilicium.

Il existe plusieurs sortes de ciment offrant des caractéristiques différentes. Leur composition fait l’objet de la norme EN 197-1 [9] qui définit cinq types de ciment :

➤ Le CEM I (ciment Portland) constitué au moins de 95% de clinker et au plus de 5% de constituants secondaires;
➤ Les CEM II (ciment Portland composé) constitué au moins de 65% de clinker et au plus de 35 % de constituants secondaires : laitier de haut fourneau, fumée de silice (limitée à 10%), pouzzolanes, cendres volantes, schistes calcinés, calcaire;
➤ Le CEM III (ciment de haut fourneau) contient entre 36 et 86% de laitier de haut fourneau, et de 20 à 64% de clinker;
➤ Le CEM IV (ciment pouzzolanique) constitué de clinker et de 11 à 55% d’un mélange de fumées de silice, de pouzzolanes et de cendres volantes;
➤ Le CEM V (ciment composé) constitué de clinker, de laitier de haut fourneau, de pouzzolanes et de cendres volantes siliceuses.

Les granulats 

Les granulats sont constitués d’un ensemble de grains minéraux de différentes dimensions (inférieurs ou égales à 125 mm). Ils sont obtenus lors de l’exploitation des gisements de sables et de graviers d’origine alluvionnaire terrestre ou marine, par concassage des roches massives (calcaires ou éruptives) ou encore par recyclage de produits tels que les matériaux de démolition. Leur nature, leur forme et leurs caractéristiques varient en fonction des gisements et des techniques de production. Les granulats font l’objet de la norme XP P18- 545 [10].

L’eau
La teneur en eau est un facteur très important de la composition du béton et se détermine par le rapport de la masse d’eau sur la masse de ciment (noté E/C). L’influence de ce rapport aussi bien sur la porosité que sur la résistance mécanique est non négligeable. La norme NF EN 1008 fixe les propriétés de l’eau utilisée dans la formulation des matériaux cimentaires [11].

Adjuvants
Les adjuvants se présentent sous forme de liquide ou de poudre. Ils sont incorporés en faible quantité (moins de 10 kg/m3 ) afin d’ajuster les propriétés des matériaux cimentaires [12]. Les adjuvants peuvent modifier l’ouvrabilité du matériau frais ainsi que sa rhéologie [13], et peuvent être incorporés sous forme de :

➤ plastifiants et superplastifiants réducteurs d’eau ;
➤ accélérateurs de prise ;
➤ retardateurs de prise, généralement à base d’hydrates de carbone, d’oxydes de zinc ou de plomb;
➤ entraîneurs d’air, à base de tensioactifs;
➤ hydrofuges de masse, à base d’acides gras;
➤ inhibiteurs de corrosion : ajoutés à l’eau de gâchage (la mise en contact du ciment et l’eau) ou appliqués à la surface des armatures métalliques ou du béton [14].

Solution interstitielle des matrices cimentaires

La solution interstitielle d’un béton résulte de la mise en solution des composés anhydres du ciment lors de son hydratation, ce qui conduit à la libération de grandes quantités de chaux saturant ainsi le liquide interstitiel présent dans le réseau poreux [15].

Cette solution interstitielle de béton peut être extraite en appliquant des pressions de 375 MPa à des pâtes de ciment durcies ainsi que l’ont décrit Longuet et al. [16,17]. La composition de la solution interstitielle peut être ainsi déterminée. Elle contient des cations tels que Ca2+, Na+ et K+ et des anions tels que SO4 2- et OH- . Les ions calcium proviennent du gypse et de la portlandite. Les ions sodium et potassium sont issus des oxydes alcalins, tels que Na2O et K2O, présents dans le ciment. Quant aux ions sulfate, ils peuvent provenir du gypse (CaSO4·2H2O) ajouté lors de la fabrication du ciment, d’agents de contamination (chlorures ou sulfates) provenant de l’eau utilisée lors du gâchage [18]. Ainsi la présence de portlandite fixe le pH à 12,5 à 25°C et la concentration en calcium à 21 mmol/kg selon l’équilibre suivant :

Ca(OH)2 ↔ Ca2+ + 2OH- Eq.I.1

La présence d’ions alcalins (Na+ , K+ ) augmente le pH de la solution interstitielle à 13,5. De ce fait, la composition de la solution porale dépend du type du ciment employé ainsi que de l’âge du béton [19,20].

Rothstein et al. ont suivi l’évolution de la concentration en éléments majoritaires de la pâte d’un Ordinary Portland Cement entre 1 et 568 heures après gâchage avec un rapportE/C = 0,35. Lors du processus d’hydratation de la pâte de ciment, deux étapes peuvent être mise en évidence :

➤ la première étape : entre quelques minutes et 6 heures après gâchage de la pâte de ciment, au cours de cette étape aucun changement significatif en concentration d’ions majoritaires n’est relevé.
➤ La deuxième étape : à partir de 12 h après le gâchage, une augmentation significative de la concentration en ions alcalin (Na+ et K+ ) est observée, due à la diminution de la teneur en eau interstitielle. La consommation du gypse induit alors une forte diminution des concentrations en calcium et sulfate [21].

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Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Etude bibliographique
1. Le béton armé
1.1. Le béton
1.1.1. Composition des bétons
1.1.2. Solution interstitielle des matrices cimentaires
1.1.3. Vieillissement du béton
1.2. Les armatures en acier
2. Passivation des armatures
2.1. Thermodynamique de la passivation
2.2. Composition et épaisseur de la couche passive
3. Corrosion des armatures
3.1. Mécanismes
3.2. Formes de la corrosion
3.3. Nature des produits de corrosion
3.4. Causes de dépassivation des armatures
3.4.1. Pénétration des chlorures
3.4.2. Carbonatation
3.4.3. Réaction sulfatique
3.4.4. Autres facteurs influençant la corrosion des armatures
Oxygène
Humidité relative
Température
Composition et porosité du béton
Résistivité du béton
3.5. Moyens de protection contre la corrosion
4. Les inhibiteurs de corrosion utilisés dans les bétons
4.1. Définition
4.2. Propriétés
4.3. Classification des inhibiteurs
4.3.1. Inhibiteurs organiques
4.3.2. Inhibiteurs minéraux
4.3.3. Inhibiteurs anodiques
4.3.4. Inhibiteurs cathodiques
4.3.5. Inhibiteurs conduisant à la formation d’un film
4.4. Inhibiteurs utilisés pour le béton armé (état de l’art)
4.4.1. Les nitrites
4.4.2. Monofluorophosphate (MFP)
4.4.3. Les inhibiteurs organiques
4.4.4. Les inhibiteurs verts
Conclusions
Références
CHAPITRE II : Conditions expérimentales et techniques d’étude
1. Matériau, électrolytes, bioadjuvant
1.1. Acier
1.1.1. Composition de l’acier
1.1.2. Préparation des électrodes
1.2. Solutions d’étude
1.2.1. Solution de référence NaOH 0,1 M
1.2.2. Solutions interstitielles synthétiques
1.2.3. Solutions corrosives contenant des chlorures
1.3. Bioadjuvant
2. Méthodes
2.1. Mesures électrochimiques
2.1.1. Cellules électrochimiques
2.1.2. Chronopotentiometrie : Ecorr vs temps
2.1.3. Courbes de polarisation
2.1.4. Spectroscopie d’impédance électrochimique
2.1.5. Instrumentation
2.2. Analyses de surfaces
2.2.1. Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
2.2.2. Mesures de réflectivité de surface
3. Procédures et dispositifs expérimentaux
3.1. Mesures électrochimiques
3.2. Analyses de surface
Références
CHAPITRE III : Etude de la passivation de l’acier doux C15 en milieu alcalin
1. Solution de référence NaOH 0,1M
1.1. Etude préliminaire
1.1.1. Suivi de Ecorr en fonction du temps d’immersion
1.1.2. Influence de la vitesse de rotation sur les courbes de polarisation
1.1.3. Influence de la vitesse de balayage sur les courbes de polarisation
1.2. Conditions nécessaires pour travailler en conditions stationnaires
1.3. Comportement anodique de l’acier doux C15
1.3.1. Courbe de polarisation anodique stationnaire
1.3.2. XPS
1.3.3. Diagrammes d’impédance
1.4. Comportement cathodique de l’acier doux C15
1.4.1. Courbes de polarisation cathodiques
1.4.2. Réflectométrie
1.4.3. Diagrammes d’impédance électrochimique cathodiques
Conclusions
Références
CHAPITRE IV : Comportement à la corrosion généralisée de l’acier doux C15 en milieu béton avec et sans bioadjuvant
1. Influence de la composition de la solution interstitielle de bétons sur le comportement électrochimique de l’acier doux C15
1.1. Evolution du potentiel libre de corrosion en fonction du temps d’immersion et du milieu d’étude
1.2. Courbes de polarisation stationnaire anodiques
1.3. Epaisseur et composition de la couche d’oxydes formée à la surface de l’acier doux C15
1.4. Diagrammes d’impédance
2. Effet de la présence de bioadjuvant dans les solutions interstitielles synthétiques
2.1. Caractérisation de la couche d’oxydes : analyse XPS
2.1.1. Nature de la couche d’oxydes
2.1.2. Adsorption du bioadjuvant
2.1.3. Nature de la couche organique déposée
2.1.4 .Epaisseur de la couche d’oxydes et de la couche organique adsorbée
1.1. Mesures électrochimiques
1.1.1. Courbes de polarisation anodiques
1.1.2. Diagrammes d’impédance
Conclusions
Références
Conclusion générale

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