le béton en milieux sulfatés

Le béton en milieux sulfatés

Publié à l'origine en avril 1974.

E.G. Swenson

Les solutions aqueuses de sels sulfatés présentes dans certains sols
et eaux souterraines attaquent le béton à base de ciment Portland. La
rapidité et la gravité de l'attaque dépendent de la quantité de sulfate
(soluble) disponible, de la présence d'eau, de la composition du
ciment, et de certaines caractéristiques du béton telles que la
perméabilité. À mesure que progresse cette attaque, la pâte de ciment
durcie perd progressivement de sa résistance. Le processus se termine
par la désagrégation du béton.

Parmi les éléments construits en béton susceptibles de subir
l'attaque des sulfates présents dans certains terrains et dans
certaines nappes aquifères figurent les semelles, les murs de
fondation, les murs de soutènement, les piliers, les pieux, les
ponceaux, les tuyaux et les dalles de surface. L'attaque la plus
sérieuse se produit sur les éléments dont une face est en contact avec
les solutions de sulfate, tandis que l'autre face permet l'évaporation.
Tel est le cas, par exemple, pour les murs de soutènement.

Cette réaction fait l'objet de recherches depuis quelque cinquante
ans. Une grande partie des premiers travaux sur la question a été
exécutée dans l'ouest du Canada, où le problème qu'elle constitue est
connu depuis longtemps et demeure continuellement à l'étude. On a
élucidé depuis de nombreuses années le mécanisme primaire de l'attaque.
Deux importantes questions n'en restent pas moins encore sans réponse.
On n'a pas, en premier lieu, largement appliqué les mesures préventives
connues. Il existe en second lieu, de nombreuses preuves de l'existence
d'une réaction secondaire: alors que des désordres se sont produits
même après avoir pris toutes les précautions voulues.

Le présent digest étudie, dans le cadre des milieux et de la
pratique canadiennes, le bétonnage en terrains et nappes aquifères
contenant des sulfates.

Rencontre de sulfates disponibles

Les sols et les nappes aquifères des Prairies canadiennes
contiennent fréquemment des sulfates solubles extrêmement concentrés.
On croit que leur présence résulte du climat relativement sec et de
l'action de "pompage" qu'il exerce sur les sulfates présents dans les
strates riches en sels des niveaux inférieurs. On rencontre, dans de
nombreuses régions, des dépôts superficiels de cette nature, composés
principalement de sulfate de sodium; on trouve également, surtout dans
les régions de l'est des Prairies, du sulfate de magnésium extrêmement
concentré. A la surface du sol, ou dans son voisinage, les composés ne
sont en général pas assez concentrés pour nuire à la croissance des
récoltes et de la végétation; ils peuvent cependant l'être suffisamment
pour endommager le béton.

À quelques exceptions près, les précipitations sont plus importantes
dans les autres régions du Canada. Elles maintiennent bas le niveau des
concentrations en sulfates situés aux profondeurs auxquelles on exécute
normalement les travaux de construction. Dans les régions qui
contiennent des gisements de gypse, les concentrations peuvent être
élevées; il ne s'agit cependant que de phénomènes localisés. Les
sulfates de calcium d'origine naturelle tels que le gypse sont peu
solubles; ils ne donnent pas lieu, par eux-mêmes, à des réactions
d'importance notable. Il arrive cependant qu'ils se transforment, avec
le temps, en sels plus solubles, tels que sulfates de sodium et de
magnésium.

On peut rencontrer de fortes concentrations de sulfates solubles
dans des endroits qui ont servi pendant quelques années à l'entreposage
du charbon. Les terrains marécageux présentent parfois, eux aussi, des
teneurs élevées en sels de cette nature. Dans le cas des dépôts
minéraux contenant des sulfures - tel est le cas pour les pyrites de
certains gisements de schistes - l'oxydation, même due à une simple
action bactériologique, peut être suffisante pour provoquer la
transformation en sulfates. Les eaux d'égouts et certains déchets
dégagent parfois des gaz contenant du soufre qui s'oxydent rapidement
en formant des sulfates.

On a traditionnellement traité l'attaque du béton par l'eau de mer
comme un problème entièrement distinct des attaques par sulfates qui se
produisent dans les sols et les eaux souterraines. La concentration de
l'eau de mer en sulfates (à l'état soluble et libre) est extrêmement
élevée; elle est de l'ordre de celles qui se sont révélées nuisibles au
béton dans les eaux souterraines. Dans l'eau de mer, une grande
proportion du béton n'est que partiellement immergée; il est, de ce
fait, susceptible d'acquérir de hautes teneurs en humidité et donc
sujet à l'attaque par sulfates. L'action du gel, l'érosion, la
corrosion de l'acier d'armature, les dommages matériels dûs à la glace
et à d'autres causes de chocs et d'abrasion, compliquent, d'autre part,
le problème. Les mêmes complications peuvent survenir à la surface des
sols où le danger d'attaques par sulfates provient de la nature du sol
ou des eaux souterraines

Mécanisme de la réaction

On a démontré que l'attaque du béton par les sulfates résulte d'une
réaction chimique qui se produit en présence d'eau entre l'ion sulfate
et l'aluminate de calcium hydraté, et/ou les éléments constitutifs de
l'hydrate de calcium de la pâte de ciment durcie. Les produits qui
résultent de ces réactions sont l'hydrate de sulfoaluminate de calcium
communément appelé ettringite et l'hydrate de sulfate de calcium mieux
connu sous le nom de gypse. Les volumes de ces solides sont beaucoup
plus grands que ceux des corps qui leur ont donné naissance; il en
résulte des contraintes qui peuvent détériorer la pâte et finalement
désintégrer le béton.

On a prouvé expérimentalement à maintes reprises, avec des mortiers
et des bétons, l'action destructrice de ce mécanisme. On a mis au point
des mesures préventives dont l'efficacité a été vérifiée tant en
laboratoire que sur place. Elles reposent sur la réduction ou
l'élimination d'au moins un des quatre corps qui interviennent dans les
réactions précédentes. Le principe qui veut que, pour arrêter la
réaction, il suffit de neutraliser un seul des corps est, en effet,
bien établi.

Quoique les mesures préventives basées sur la réaction spécifique
avec les sulfates décrite plus haut se sont révélées efficaces dans la
plupart des cas, il y a des exemples- où ces mesures se sont montrées
inefficace. On a démontré que le sulfate de magnésium est plus corrosif
que le sulfate de sodium; cette constatation a conduit à supposer que
l'ion magnésium intervient dans une réaction séparée qui pourrait être
destructive. Cette seconde réaction hypothétique expliquerait les cas
de détériorations survenues malgré l'emploi d'un ciment résistant aux
sulfates (à basse teneur en aluminate de calcium) et bien que la
qualité du béton ne puisse être mise en question.

Mesures préventives fondamentales

Parce que l'on peut réduire en importance ou empêcher la réaction
qui tend à se produire avec les sulfates en éliminant totalement ou en
partie au moins un des quatre corps réagissants décrits précédemment,
les mesures préventives se reconnaissent facilement.

L'ion sulfate s'il est présent en quantités dangereuses (les valeurs
des concentrations sont indiquées plus loin) et sous forme soluble,
peut se voire interdire l'entrée dans le béton en employant des
méthodes comportant des revêtements imperméables ou un drainage
d'exclusion. Sur des installations spéciales telles que tuyaux d'eau
souterrain, on a utilisé avec un certain succès des revêtements
bitumineux. Certains nouveaux matériaux de revêtement n'ont pas encore
démontré leur efficacité vu leur utilisation encore restreinte.

Évidemment nécessaire pour permettre aux sulfates d'attaquer le
béton, l'eau constitue en outre le véhicule de l'ion sulfate. Elle
pénètre aisément dans le béton par capillarité. Les revêtements
étanches à l'eau et le drainage constituent, dans ce cas encore, les
meilleures mesures préventives. On ne doit pas négliger, lorsqu'on
dresse les plans des structures de fondations, de tenir compte de la
nécessité de réduire ou d'empêcher la pénétration de l'eau dans le
béton.

Le corps réagissant de l'hydrate de l'aluminate de calcium provient
du ciment. Il est possible, lorsqu'on fabrique le ciment Portland, de
réduire les quantités d'aluminate de calcium normalement présentes, ce
qui donnera au béton une résistance suffisante aux attaques par
sulfates. Les ciments de ce type, désignés par "ciments résistant aux
sulfates" dans les spécifications de l'Association des normes du Canada
(A.N.C.) et appelés "Type VI' par l'A.S.T.M., sont fabriqués et
utilisés dans l'ouest du Canada depuis de nombreuses années. Leurs
gains en résistance peuvent être légèrement moindres que ceux des
ciments Portland normaux. Ce sont, en outre, essentiellement des
ciments à faible dégagement de chaleur, caractéristique avantageuse
dans le cas de constructions massives en béton. Les spécifications
actuelles de l'A.N.C. assignent un maximum de 5 pour cent de GA
(aluminate de calcium) aux ciments résistant aux sulfates.

Le quatrième corps réagissant, l'ion calcium, est présent sous forme
d'hydrate de calcium et constitue un produit inévitable de l'hydration
du ciment. Certains procédés spéciaux de fabrication permettent
cependant de régler sa production. Tel est le cas lors de la cure des
tuyaux de béton à la vapeur à haute pression, ou lorsqu'on fait usage
de pouzzolane active comme adjuvant du béton.


Échantillonnage et essai des sols et des faux souterraines

On peut prélever des échantillons d'eau souterraine au moyen de
trous de sondage et, au cours d'excavations, dans les suintements. On
prendra soin de ne pas diluer les échantillons avec des eaux
superficielles. On peut se procurer des échantillons du sol lors des
sondages normalement exécutés pour examiner les lieux destinés à la
construction. On les prélèvera en divers points disposés en
quadrillage; aux endroits présentant des stratifications variées, on se
procurera des échantillons supplémentaires.

Pour déterminer les teneurs en sulfates des eaux souterraines, on
pourra utiliser dans un laboratoire de chimie quelconque une des
méthodes classiques d'analyse. Lors de l'analyse des sols, on
déterminera la teneur totale en sulfates par extraction à l'aide
d'acide chlorhydrique chaud dilué. Pour extraire les sulfates solubles
dans l'eau, on utilisera un poids d'eau égal au poids de l'échantillon
de sol. Ces deux opérations sont nécessaires pour séparer du sulfate de
calcium (ordinairement gypse), dont la solubilité est faible, les
sulfates de sodium et de magnésium à haute solubilité.

On exprime les concentrations des eaux souterraines en parties par million (ppm) de SO4 ou SO3.
On peut exprimer les concentrations des échantillons de sols en
pourcentage de poids, ou en grammes par litre (du liquide extrait par
la méthode précédente) de SO4 ou de SO3 Veau de
mer présente une concentration relativement fixe de sulfate. On
trouvera dans les normes A23.1 et A23.2 de l'Association des normes du
Canada des indications plus détaillées.

On n'exposera pas ici les essais visant à déterminer la résistance
du ciment ou du béton aux attaques par sulfates. La spécification
C452-68 de l'A.S.T.M. décrit une méthode simple d'essai applicable au
ciment. Aucune méthode normalisée d'essai du béton n'a été mise au
point. On peut cependant procéder à des évaluations au moyen
d'expositions à l'extérieur et d'essais en laboratoire. La Division des
recherches sur le bâtiment et certains autres organismes sont en mesure
de fournir toutes informations et suggestions utiles dans chaque cas
particulier.

Signification des Concentrations de Sulfate

Les concentrations de sulfate déterminées au moyen des méthodes
d'échantillonnage et d'essais décrites ci-dessus constituent
normalement la base d'une première approximation du degré de gravité
des attaques auxquelles on doit s'attendre. La norme A23.1 de
l'Association des normes du Canada, Matériaux en béton et Méthodes de
construction en béton, distingue les catégories suivantes:

• attaque "négligeable" jusqu'à 150 ppm de sulfate (SO4) dans les eaux souterraines ou jusqu'à 0.10 pour cent de sulfate (SO4) dans le sol;
  
• attaque "modérée mais certaine" lorsque les valeurs correspondantes se situent entre 150 et 1000 ppm et 0.10 et 0.20 pour cent;
  
• attaque "importante" à 1000 - 2000 ppm et 0.20 - 0.50 pour cent;
  
• attaque "rigoureuse" au-dessus de 2000 ppm et de 0.50 pour cent.
  

Dans de nombreuses régions des Prairies, les échantillons d'eaux
souterraines ont révélé des concentrations en sulfates de 5,000 à
15,000 ppm. On a trouvé, dans des endroits isolés du sud-est de
l'Ontario, des valeurs excédant 4,000 ppm. La concentration moyenne en
ions sulfates de l'eau de mer s'élève à 2,750 ppm environ. Il peut être
nécessaire de modifier considérablement ces évaluations de la gravité
des attaques. Elles sont en effet uniquement basées sur des
concentrations de sulfate dans des échantillons tandis que certains
facteurs exercent leur influence. Les concentrations de sel peuvent
varier d'une manière saisonnière avec l'importance des précipitations
atmosphériques et les fluctuations de niveau de la nappe aquifère. Les
concentrations augmentent en période de sécheresse. Il se peut que les
structures ne soient que partiellement immergées, ou qu'un seul côté
d'un élément en béton se trouve en contact avec de l'eau ou du sol
sulfaté(e). L'action capillaire continue, due à l'évaporation qui se
produit du côté situé à l'air libre, peut alors engendrer, à
l'intérieur du béton, des concentrations en sulfates beaucoup plus
élevées que si les effets de poussée ou de pompage n'existaient pas.
Des attaques sérieuses peuvent ainsi se produire même si les teneurs en
sulfates des échantillons d'essai sont relativement basses. Des
attaques classées comme "modérées mais certaines" sur la base des
concentrations en sulfates des échantillons d'essai, peuvent, sous une
action continue d'aspiration, présenter en fait des dangers beaucoup
plus sérieux et exiger une forte augmentation de précautions. D'un
autre côté, des éléments de béton situés à l'intérieur de sols ou de
nappes d'eau à forte teneur en sulfate ne souffriront normalement pas
de pénétration de sels à travers leurs surfaces. L'attaque est, en
pareil cas, rapide au début à la surface; son intensité décroît ensuite
considérablement; aussi sera-t-elle parfois moins grave que ne
l'indiquent les prédictions basées sur les concentrations. Il en va de
même, dans une certaine mesure, dans le cas de bétons partiellement
immergés, lorsque la surface située à l'air libre est faible par
rapport au volume total de l'élément. Lorsqu'elle est située dans une
ambiance séchant lentement (à forte humidité relative), il se peut
également que l'attaque par les sulfates soit plus lente que ne
l'indiquent les concentrations. La présence d'eaux courantes et de
nappes souterraines soumises à des différences de pressions
hydrauliques peuvent augmenter la gravité des attaques.

Il va de soi qu'on doit considérer chaque terrain de construction où
les essais révèlent une possibilité d'attaque par sulfate comme
représentant un problème particulier dont la solution exige des mesures
préventives adaptées à la situation. On trouvera à ce sujet des
informations détaillées dans A.N.C. 23.1 et A.N.C. 23.2.

Recommandations Pratiques d'Ordre Général

Pour une catégorie donnée de rigueur de gravité, déterminée d'après
les concentrations en sulfates et les influences mitigeantes, il
convient de distinguer entre éléments non structuraux et béton armé de
charpente. Des précautions plus rigoureuses s'imposent évidemment dans
le dernier cas.

Dans les cas où l'on ne prévoit que des attaques modérées, on pourra
utiliser du ciment Portland normal. Le rapport eau-ciment ne devra
cependant pas excéder 0.50. On spécifiera en outre une teneur minimale
en ciment, par exemple 550 livres par verge cube pour béton de
charpente. Si on utilise un ciment résistant aux sulfates, la teneur
minimale en ciment pourra être plus basse; on pourra, par exemple,
utiliser environ 475 livres par verge cube.

Lorsqu'on prévoit une attaque très sérieuse, on utilisera un ciment
résistant aux sulfates. Le rapport maximal eau-ciment sera de 0.50 et
la teneur minimale en ciment sera de l'ordre de 550 livres par verge
cube.

L'emploi d'un ciment résistant aux sulfates sera obligatoire
lorsqu'on prévoit une attaque extrêmement sévère. Le rapport eau-ciment
ne devra pas excéder 0.45 et la teneur en ciment devra être de l'ordre
de 600 à 625 livres par verge cube.

On emploiera des techniques de mise en place et de tassement de
nature à assurer le minimum de porosité et de perméabilité. Elles
comprendront en particulier l'emploi d'entraîneurs d'air. Cette
précaution est d'ailleurs, d'une manière générale, toujours
indispensable dans le cas de bétons placés dans des sols à forte teneur
en sulfates. Tout en augmentant la maniabilité, et par suite la
densité, les adjuvants ne suffisent cependant pas à assurer la
résistance aux attaques des sulfates.

Il est reconnu que des ciments autres que les ciments Portland
possèdent des propriétés de résistance aux sulfates comparables ou
supérieures à celles des ciments Portland résistant aux sulfates. Le
plus connu d'entre eux au Canada, et peut-être le seul généralement
disponible, est un ciment à haute teneur en alumine. Ses avantages et
ses inconvénients ne seront pas étudiés dans le présent digest.

Lorsqu'on utilise de l'armature en métal, on doit la placer dans le
béton à une distance d'au moins 3 pouces de la surface et d'au moins 4
pouces des coins. Pour un ensemble donné de conditions, les sections
minces sont plus affectées que les éléments massifs.

Les revêtements imperméables sont recommandés lorsque les conditions
existantes sont particulièrement dangereuses ou lorsqu'on ne peut
appliquer intégralement les autres mesures de prévention. On doit
cependant noter que la durée en service des revêtements de cette nature
appliqués il y a de nombreuses années s'est révélée assez courte. On
dispose aujourd'hui de bitumes, d'époxydes et d'autres revêtements
organiques dont le comportement pourrait se révéler plus satisfaisant.
Ils peuvent, de toute manière, assurer une bonne protection lorsqu'on
s'attend, par exemple, à une baisse de niveau de la nappe aquifère
pendant et après la construction. Ils peuvent également protéger le
béton jusqu'à ce qu'il devienne plus dense et moins perméable. Ce
dernier point peut présenter une grande importance dans le cas
d'éléments tels que ponceaux et conduits souterrains.

On doit prévoir, pour les éléments et les charpentes en béton
risquant d'être attaqués par sulfates, un drainage intercepteur. On
devrait également, d'une manière générale, toujours remplacer les sois
à haute teneur en sulfates par une terre de remblayage granulée et bien
drainée.

Lorsque des éléments de charpente ont déjà subi des attaques assez
sérieuses par sulfates, il est souvent possible de prolonger leur durée
de service en employant soit une des deux méthodes suivantes, soit les
deux méthodes simultanément. Lorsque les sulfates sont amenés au
contact du béton par les eaux souterraines, il est parfois possible
d'installer des systèmes de drainage permettant de réduire ou de
supprimer les réactions. On peut aussi souvent, par exemple dans le cas
de piliers de support partiellement enrobés dans le sol, mettre à nu la
partie avariée du béton, éliminer les matériaux détériorés et restaurer
la construction en utilisant le procédé "shotcrete", ou en suivant
d'autre méthodes, On posera, après cette opération, un revêtement
imperméable à l'eau.


Résumé

La rapidité et la gravité des attaques par sulfates dépendent de la
concentration de ces derniers sur les lieux, du type et du degré de
liberté des ions sulfates, des facilités d'accès de l'eau, du type de
ciment et de la qualité du béton. Les ciments résistant aux sulfates,
les faibles rapports eau-ciment, les teneurs minimales en ciment, les
entraîneurs d'air, les revêtements imperméables à l'eau, l'installation
de dispositifs de drainage, et une attention spéciale apportée au
recouvrement de l'armature, permettent, entre autres, de lutter contre
l'action des sulfates.

merci rachid,
vraiment c un doc tres tres interessant,
tu peut le mettre sur un doc PDF afin qu'il sera telechargeable ?

vraiment il est chanceux qui arrive a lire les doc et les trucs qui se trouvent dans ce forum !

c'est un article que j'ai lu en année 2000

voici le fichier sous format PDF

http://www.zshare.net/download/2401421ffbf204/

BONNE RECEPTION

le pb , c'est que Rachid va nous attirer les profs des gdes universités et manwalouche n'banou ....
merci rachid

on va apprendre avec eux , ce sera fructueux pour nous ; nous sommes toujours des élèves

c'est des articles destinés pour l'ingenieur , qui sont faciles à lire et à comprendre , il ont le role d'enrichir notre language technique académique

choukran rachid

de rien elhou

merci rachido

SALUT MES FRERES

je te remercie Rachid pour ces informations
je rajoute cette Norme française qui donne une description des ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates

la norme XP P15-319

http://www.zshare.net/download/2411163a125658/

Sahitooo

excelent ibrahim