Carbonatation du béton

Lors de la fabrication du béton, la quantité d'eau introduite pour l'hydratation de son ciment est toujours supérieure à la quantité stœchiométrique nécessaire. De ce fait, le ciment hydraté est toujours un milieu poreux dont les pores sont d'abord remplis d'eau qui se chargent en ions pour respecter l'équilibre chimique avec les hydrates du ciment (portlandite, CSH, AFt, AFm...). Lorsque le matériau cimentaire sèche à l'air libre, il se désature en eau et les pores se remplissent partiellement d'air.

Le CO₂ naturellement présent dans l'atmosphère est alors susceptible de diffuser à travers la phase gazeuse du ciment[4]. La diffusion dans la phase liquide est négligeable. On constate que les ciments totalement saturés en eau ne se carbonatent que sur leur couche limite du fait d'un colmatage immédiat des pores par formation de calcite.

Le CO₂ présent dans la phase gazeuse des pores se dissout dans la solution interstitielle pour former des ions carbonates qui réagissent principalement avec les ions calcium Ca²⁺. L'hydroxyde de calcium (Ca(OH)₂) formé durant le durcissement du béton par l’hydratation des silicates de calcium bi- et tricalciques (SiO₂, 2CaO) et (SiO₂, 3CaO) et le dioxyde de carbone (CO₂) créent du carbonate de calcium (CaCO₃)[5].

La modification de l'équilibre chimique entre les hydrates de la matrice cimentaire et la solution interstitielle entraîne une dissolution des hydrates. Le nouvel équilibre chimique correspond alors à une solution bien plus acide qu'initialement. Le pH passe d'une valeur de 13 dans la zone non carbonatée (permettant la passivation de l'acier) à une valeur inférieure à 9 dans la zone dégradée. Lorsque la zone de carbonatation atteint les armatures en acier, la corrosion du métal peut commencer en formant des produits de corrosion (FeO(OH), Fe₂O₃·nH₂O) plus volumineux que l'acier au carbone initialement présent[6]. Cette réaction expansive explique l'éclatement du béton autour des armatures corrodées. Toutefois, la carbonatation peut aussi augmenter l’imperméabilité du béton grâce au colmatage de certains pores par les carbonates : l’absorption capillaire est réduite et la résistance mécanique est meilleure[7] - [8] - [9]. Ce phénomène est généralement observé pour les bétons utilisant du ciment Portland.

L’humidité relative de l’air joue un rôle important sur la vitesse de carbonatation[10] - [11]. Pour les bétons courants, elle est maximale pour une humidité relative de l’ordre de 50-70 % et presque nulle en atmosphère sèche ou saturée en eau[12] - [5]. La carbonatation est par conséquent plus importante sur les surfaces protégées que sur celles exposées à la pluie[13]. Une importante concentration en CO₂ est également un facteur augmentant la vitesse de carbonatation[11]. La cinétique de carbonatation, également fonction de la température[14], est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.

La détermination de cette profondeur de carbonatation s’effectue sur une coupe fraîche de béton. Après dépoussiérage, on pulvérise un colorant sensible au pH, la phénolphtaléine (cancérigène/mutagène)[15] ou encore la thymolphtaléine[16] - [17]. La phénolphtaléine vire au rouge violacé au contact de matériaux dont le pH est supérieur à 9,2 et demeure incolore pour les plus faibles valeurs de pH, c’est-à-dire pour les zones carbonatées.

• (fr) Mickaël Thiery, Modélisation de la Carbonatation atmosphérique des matériaux cimentaires, Thèse pour obtenir le grade de docteur de l'École des Ponts et Chaussées .
• Sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot pour l'ATILH - La durabilité du béton - Presses de l'école des Ponts et Chaussées - Paris - 2008 - (ISBN 978-2-85978-434-8)
• (fr) Drouet Emeline (2010), Impact de la température sur la carbonatation des matériaux cimentaires, Thèse pour obtenir le grade de docteur de l'École Normale Supérieure de Cachan .