II -5-3) Mécanisme de la carbonatation :
Les armatures du béton armé sont
passivées, c'est-à-dire recouvertes d'une couche protectrice
d'oxydes, dans un milieu basique de pH environ égal à 13 comme
dans la solution interstitielle du béton. La portlandite constitue une
réserve importante d'ions OH-:
Ca(OH)2 ? Ca2+ + 2
OH-
Le dioxyde de carbone, présent dans
l'atmosphère en faible proportion, 0,035 % en volume, se dissout dans
l'eau et forme l'acide H2CO3. Ce dernier réagit
avec la portlandite pour former des carbonates de calcium qui
précipitent selon la formule suivante [17] :
Ca(OH)2 + CO2 +
H2O ? Ca2+ + CO- 3 + 2H++
2OH-? CaCO3 + 2H2O.
Les réactions chimiques de la carbonatation sont
illustrées par la figure II -26.
Figure II -26:
mécanisme de carbonatation de Ca(OH)2
. [10]
Tant que de la portlandite peut se dissocier et apporter
des ions OH- un fort pH est maintenu. Mais quand la majeure partie
de la portlandite est consommée, le pH de la solution interstitielle
diminue fortement, les armatures sont alors dépassivées. Le front
(ou la profondeur) de carbonatation est théoriquement défini
comme étant la limite entre la zone carbonatée où le pH
n'est plus assez élevé pour protéger les armatures et la
zone non carbonatée (ou très faiblement) où le pH est
encore égal à 13.
Pour suivre l'évolution du phénomène,
il est essentiel de pouvoir déterminer la profondeur de carbonatation.
La méthode consiste à rompre un échantillon de
béton et à répandre sur la face de rupture une solution
alcoolique de phénophtaléine qui sert d'indicateur coloré.
Pour un PH de l'ordre de 9, on observe le virage de l'indicateur: la partie
superficielle carbonatée reste incolore, alors que la partie interne non
transformée prend une coloration rose (voir figure II-30).
Cependant, la méthode à la
phénophtaléine ne donne qu'une vue incomplète de la zone
carbonatée qui s'étend au-delà du front de neutralisation
décelé par le virage.
Pour un échantillon de béton avec E/C=0.7,
le PH évolue progressivement sur une épaisseur de 20 mm comme
l'indique la figure II -27 suivante.
Figure II -27: Gradient
de pH en fonction de la profondeur carbonatée.
[17]
Par ailleurs, la profondeur du front de neutralisation
n'est pas régulière, les valeurs les plus grandes sont à
considérer en priorité car elles témoignent d'un
béton perméable avec risques précoces de corrosion des
armatures.
La vitesse de carbonatation est fonction de nombreux
paramètres dont les plus importants sont la porosité et le taux
d'humidité relative du milieu ambiant. Elle est maximale pour une
humidité comprise entre 40% et 80% (60% semble la valeur la plus
critique).
- Dans les environnements secs, la quantité d'eau
est insuffisante pour dissoudre de CO2.
- Dans les environnements très humides, le
béton est saturé, ce qui ralentit considérablement la
diffusion du CO2. [17]
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