Corrosion des aciers dans le béton

Le béton armé est un matériau composite constitué de béton (mélange de ciment, de granulats, d'eau et d'adjuvants) et de barres d'acier (armature)^[4]. Cette association permet d'allier la bonne résistance à la compression du béton à la bonne résistance à la traction de l'acier. Egalement, le pH alcalin du béton entraîne la formation d'une couche de passivation de quelques nanomètres en surface de l'acier, ce qui diminue très fortement la vitesse de corrosion du fer ; le fer est alors dans le domaine de passivation^[5].

Le béton armé est un matériau très hétérogène, autant au niveau du béton^[6] (porosité, composition et distribution des phases, présence de cale pour les barres, etc.) que de l'acier (microstructure, pré-corrosion, points de soudure). Cette hétérogénéité se retrouve également au niveau de l'interface acier/béton, qui est le siège central de la réaction de corrosion^[7]. Il a été montré la formation d'une zone poreuse plus important en dessous des barres horizontales du fait du saignement du béton^[8],[9].

La corrosion est une réaction électrochimique faisant intervenir l'oxydation du fer en ions ferreux Fe²⁺ (réaction anodique) et, généralement, la réduction du dioxygène en eau (réaction cathodique)^[10]. Pour que cette réaction ait lieu, un contact électrique (échange d'électrons) et un contact électrolytique (échange d'ions) entre les zones anodiques et cathodiques sont requis. Ainsi, la teneur en eau sur la barre joue un rôle important sur la vitesse de corrosion^[11].

Bien que le fer soit dans le domaine de passivation dans un béton sain, plusieurs composés peuvent altérer l'intégrité de cette couche de passivation. Généralement, deux phénomènes sont considérés comme responsable de cette accélération de la vitesse de corrosion des structures : la carbonatation et les ions chlorures^[5].

Pour le phénomène de corrosion dans le béton, le mécanisme est généralement divisé en deux étapes : l'étape d'initiation, qui correspond à la pénétration des agents agressifs à travers le béton jusqu'à l'armature, et l'étape de propagation, qui correspond à l'accélération de la corrosion et donc du niveau de détérioration des structures. Durant cette deuxième étape, la vitesse de corrosion n'est pas constante mais est variable selon les paramètres environnementaux, notamment la teneur en eau et la température^{[12],[13],[14],[15]}.

La carbonatation du béton est un phénomène de dégradation naturel du béton en contact avec le dioxyde de carbone atmosphérique^{[16],[17],[18]}. En plus de modifier les phases présentes dans le béton, la carbonatation entraîne une diminution du pH. Ainsi, lorsque le front de carbonatation atteint la barre, la couche de passivation n'est plus stable et le fer se retrouve alors dans le domaine de corrosion. Il est généralement admis que la carbonatation entraîne une dépassivation uniforme de la barre et donc une corrosion uniforme (ou microcell)^[19]. Toutefois, du fait de l'hétérogénéite du béton, le front de carbonatation est rarement parfaitement uniforme^[20]. De plus, la présence de nombreuses barres d'armature dans les structures réelles suggère que la corrosion est localisée (ou macrocell)^[21],[22]. Ces deux processus sont donc à prendre en compte pour expliquer le mécanisme de corrosion^[23],[24].

L'évolution de la vitesse de corrosion des armatures dans un béton carbonaté exposé à l'atmosphère dépend principalement de la teneur en eau et de la porosité à l'interface acier/béton^{[25],[26],[27]}.

Bien que les ions chlorures peuvent provenir d'une contamination des agrégats ou de l'eau de gâchage, ils sont généralement issus de l'utilisation de sels de déverglaçage ou d'un environnement maritime. Ils pénètrent à travers le béton par succion capillaire, diffusion et perméation^[1]. La vitesse de pénétration dépend de nombreux paramètres, comme de la teneur en eau et de la température, mais aussi de la distribution et interconnectivité des pores ou encore des phénomènes d'adsorption physique et chimique avec certaines phases du ciment^[28]. Une fois que les ions chlorures atteignent la barre, ils font progressivement affecter l'intégrité de la couche de passivation de l'acier. Toutefois, le mécanisme exact de dépassivation est toujours incertain^[5]. Il est généralement admis qu'un seuil minimum de chlorures est requis pour observer cette dépassivation, bien que la valeur de celle-ci ne soit pas bien définie^[29]. Egalement, la dépassivation n'est pas instantanée et fait intervenir des processus successifs de dépassivation/repassivation jusqu'à observer une dépassivation locale de l'acier^[30].

La corrosion par les chlorures entraîne alors une corrosion localisée dite par piqûre, bien la profondeur de la piqûre soit généralement plus faible que pour la corrosion aqueuse^[31]. La vitesse de corrosion dans ce type de système est généralement très élevée^[32], qui résulte en une forte diminution de la section transversale de l'acier, et donc des performances de ce dernier.

La corrosion du fer affecte la durabilité des structures du fait de l'expansion volumique des produits de corrosion, qui occupe plus de place que le fer initial. Généralement, le coefficient d'expansion varie entre 2 et 4 selon la nature des produits de corrosion^[5], composés d'un mélange d'oxydes et d'oxyhydroxydes de fer^[33],[34]. La nature des produits de corrosion peut notamment varier selon le mécanisme de dépassivation (carbonatation^[35] ou chlorures^[36],[37]) et la teneur en oxygène.

Cette expansion volumique peut être responsable de la fissuration. Ce mécanisme est généralement divisé en plusieurs étapes : une étape de diffusion des produits de corrosion et d'obstruation des pores, une étape de génération du stress et une étape de fissuration^[38],[39]. Cette fissuration peut conduire à l'accélération de la vitesse de corrosion en conditions humides^[40] puis à l'éclatement du béton, entrainant une forte diminution des performances de la structure.