Guide sur la carbonatation du béton et les essais de carbonatation accélérée

L'homme a commencé à utiliser le béton il y a 5 000 ans pour construire des monuments capables de résister à l'épreuve du temps.

Les anciens Égyptiens utilisaient une forme primitive de béton pour construire leurs pyramides

Les Romains l'utilisèrent pour construire leurs gigantesques aqueducs, ce qui permit la croissance rapide de l'empire.

En 1824, Joseph Aspdin inventa le ciment Portland, qui allait permettre de créer les merveilles modernes dont nous profitons encore aujourd'hui.

Cependant, nombre de ces bâtiments anciens se sont effondrés ou sont menacés par la carbonatation du béton.

Mais qu’est-ce que la carbonatation, et qu’est-ce qui rend le béton si particulier ? Poursuivez votre lecture pour en savoir plus et découvrir comment les fabricants réalisent des tests de carbonatation accélérée.

Qu'est-ce que le béton ?

Le béton est un matériau composite constitué d'une matrice et d'un liant. La matrice est un agrégat de matériau rocheux, généralement du calcaire, du granit ou du gravier.

Le liant est généralement du ciment Portland et assure la cohésion de la matrice.

Selon les équations de Bogue, le ciment Portland contient entre 60 et 67 % de CaO, 17 et 25 % de SiO2, 3 et 8 % d'Al2O3, 0,5 et 6 % de Fe2O3, 0,1 et 4 % de MgO, 1,3 et 3 % de SO3 et 0,4 et 1,3 % d'alcali.

Sa composition chimique la rend résistanteet solide, et lui confère la capacité de perdre sa plasticité et de gagner en compacité par l'ajout successif d'eau.

On ajoute de l'eau à une poudre sèche et à un agrégat, ce qui donne une substance molle que l'ouvrier peut modeler à sa guise.

Les structures en ciment Portland utilisent généralement des armatures en acier, créant ainsi une structure solide capable de supporter un poids important sans se plier ni se rompre.

Cependant, la plus grande menace pour les structures en béton est le processus de carbonatation.

Qu'est-ce que la carbonatation du béton ?

La carbonatation est la réaction chimique entre le dioxyde de carbone CO2 et les composés d'hydratation du ciment dans les structures en béton.

Le taux de carbonatation dépend de nombreuses caractéristiques physiques, telles que :

• Préparation sur place
• Production et protection
• La conception de la structure

En plus de ce qui précède, d'autres facteurs jouent également un rôle important, tels que l'emplacement de la structure et son exposition aux contaminants.

Enfin, des facteurs environnementaux, tels que la chaleur, la pluie, la neige et l'humidité, jouent également un rôle dans la carbonatation.

Quels sont les effets de la carbonatation ? Pourquoi est-elle nocive ?

La carbonatation pénètre plus profondément dans le béton au fil du temps, généralement à un rythme proportionnel à la racine carrée du temps.

Il suffit de quelques heures pour que la surface du béton réagisse avec le CO2 présent dans l'air. La réaction peut atteindre une profondeur de 1 mm pour un béton épais et de 5 mm pour un béton poreux et perméable.

Ce processus provoque un effet domino : tout d'abord, le pH diminue, c'est-à-dire que l'alcalinité naturelle du béton passe de pH 13 à pH 8.

La baisse du pH entraîne à son tour la dégradation de la couche de passivation autour de l'acier, exposant ainsi l'acier d'armature à l'eau et à l'air, ce qui provoque sa rouille.

L'acier rouillé se dilate alors, exerçant une pression sur le béton environnant.

Le béton finit par se fissurer, fragilisant la structure et la mettant en danger.

La carbonatation est l'une des causes suspectées, parmi d'autres, des effondrements d'immeubles à Lagos, au Nigéria – un exemple des dégâts que peut causer un béton non testé.

Il y a de bonnes nouvelles.

La plupart des gens associent le processus de carbonatation à l'affaiblissement des armatures et au retrait de l'acier, mais tous les effets ne sont pas négatifs.

La carbonatation augmente également la résistance à la compression et à la traction du béton. L'essentiel est de trouver le juste équilibre. Pour ce faire, il est nécessaire de réaliser des essais de carbonatation accélérée.

Qu’est-ce que le test de carbonatation accélérée ?

En termes simples, ce test n'est rien de plus qu'uneétude approfondie visant à accélérer la carbonatation dans un environnement contrôlé.

Il s'agit d'un moyen pour les professionnels du béton de tester leur produit et de déterminer sa durabilité dans certaines conditions. Ce test consiste à évaluer sa résistance à la corrosion. Il va sans dire qu'un diagnostic précis des problèmes éventuels est crucial du point de vue de la sécurité et de la prévention.

Chaque test utilise des paramètres différents en fonction du type de conditions auxquelles le béton peut être exposé.

Parmi ces facteurs, on peut citer :

• • La concentration de CO2 est un facteur particulièrement important pour le béton utilisé dans les villes les plus polluées.
  • Humidité – L’humidité optimale se situe entre 50 et 70 %. En milieu humide, la quantité d’eau est moindre. Un excès d’eau freine la diffusion du CO2.
  • Température – Dans les environnements plus chauds, le taux de carbonatation est plus élevé.
  • Rapport eau/ciment: Détermine le système poreux du béton et son degré d'hydratation.
  • Porosité et perméabilité

Le problème, c'est qu'il est difficile, voire impossible, de contrôler toutes ces variables sans l'équipement adéquat.

Le moindre changement dans ces variables peut entraîner des résultats de test erronés et la création de constructions inadéquates ou dangereuses.

En effet, même lorsque les chercheurs contrôlent ces facteurs, il peut subsister une différence entre ce qui est observé et ce qui se produit réellement dans un environnement naturel.

Il est impossible de contrôler toutes les variables, mais il est possible d'augmenter les chances de succès de l'enquête en utilisant la chambre d'essai appropriée.

Pour réaliser ces tests dans un laboratoire contrôlé, FDM fournit une chambre de test_CO2 , capable de simuler des atmosphères enrichies et de maintenir des paramètres de température et d'humidité stables, conformément aux normes EN 12390-12.

Normes et procédures d'essai de carbonatation du béton

Les profils recommandés pour les tests de carbonatation sont :

• Niveaux de CO2 à 4%
• Taux d'humidité relative à 65 %
• Régler la température à 20°C
• Contrôle actif du CO2
• Un ventilateur de circulation efficace
• Un mélange de référence
• Étalonnage et enregistrement correct des résultats

Il est recommandé de conditionner les échantillons à l'air ambiant du laboratoire pendant un mois à une température de 20 à 23 °C.

Si vous testez du béton avec un revêtement protecteur, vous devrez sabler les échantillons avant d'appliquer le protecteur, les laisser « durcir » pendant trois jours, puis les apporter au laboratoire au moins trois mois après leur sélection.

L'épaisseur idéale pour le test se situe entre 40 et 50 mm. Cela fournira suffisamment de matière pour évaluer les résultats.

fig.1 : Test expérimental de carbonatation accélérée

Remèdes contre la carbonatation du béton

Comme vous pouvez facilement l'imaginer, il n'existe aucun remède ni palliatif permettant de résoudre facilement un problème lié au béton ayant subi un processus de carbonatation.

Très souvent, la seule solution consiste à entreprendre des rénovations majeures lorsqu'aucun problème plus grave, tel qu'un effondrement ou des dommages irréparables, ne s'est déjà produit.

La seule option viable consiste à prévenir le problème en réalisant tous les tests et analyses nécessaires avant la production et l'utilisation en masse du béton dans les travaux de construction. 

Comment trouver la chambre d'essai appropriée

Voici quelques suggestions pour comprendre les principales évaluations à effectuer lors de la phase d'investigation avec une chambre d'essai en béton.

• Mesurer différentes variables pour chaque type de béton testé.
• Attribuez des valeurs différentes à ces variables en fonction de l'endroit où le béton sera utilisé.

  Par exemple, il faudra augmenter le taux d'humidité du béton utilisé en Floride par rapport à celui utilisé au Kansas. Il faudra également tenir compte de la chaleur constante en Floride, contrairement aux hivers froids du Kansas.

• Utilisez une chambre d'essai permettant les mêmes variations que les expériences.
• Privilégiez une chambre d'essai durable dans le temps, d'autant plus que le test de carbonatation accélérée est un processus continu.

Nous pouvons vous aider à trouver la chambre idéale

Nous proposons une large gamme de chambres d'essai pour répondre à tous les besoins en matière de tests.

Vous pouvez choisir entre différentes tailles et deux contrôleurs différents, selon que vous effectuiez de stabilité ou des tests dynamiques.

Contactez-nous et nous trouverons la chambre idéale pour vos tests de carbonatation du béton

Découvrez la solution FDM pour les essais sur béton : notre chambre d’essai sur béton est conforme aux normes EN 12390-9 et UNI EN 1367-1, avec un système d’immersion automatique et des cycles de gel-dégel programmables.

Normes de référence pour les essais de carbonatation

Les tests de carbonatation accélérée sont régis par plusieurs normes internationales qui définissent les paramètres de fonctionnement, la préparation des échantillons et les critères d'évaluation :

• EN 13295 — Détermination de la résistance à la carbonatation du béton durci selon la procédure normalisée européenne (1 % CO₂, 20 °C, 60 % RH).
• EN 14630 — Méthode de détermination de la profondeur de carbonatation par le test à la phénolphtaléine.
• UNI EN 12390-12 — Spécification italienne pour les essais de carbonatation accélérée sur béton durci, dans des conditions environnementales définies (3 % CO₂, 20 °C, 57 % RH).
• ISO 1920-12 — Norme internationale pour les essais de résistance à la carbonatation du béton.
• RILEM TC 56-MHM — Recommandations techniques du comité RILEM pour la mesure de la profondeur de carbonatation.
• ASTM C1202 — Pratique complémentaire pour l'évaluation de la perméabilité aux ions chlorure, souvent utilisée en conjonction avec les tests de carbonatation.

Questions fréquentes sur la carbonatation du béton

Combien de temps dure un test de carbonatation accélérée ?

Un essai standard selon les normes EN 13295 ou UNI EN 12390-12 dure généralement de 28 à 70 jours, avec des mesures périodiques de la profondeur de carbonatation. Les essais de longue durée pour la validation de formulations cimentaires spéciales peuvent s'étendre jusqu'à 180 jours. L'avantage de l'essai accéléré (avec 3 à 4 % de CO₂ contre 0,04 % de CO₂ atmosphérique) est une réduction de 50 à 100 fois de la durée de l'essai par rapport à une exposition naturelle.

Quelles sont les conditions environnementales optimales pour les tests ?

Les normes convergent vers une plage étroite : température de 20 ± 2 °C, humidité relative de 57 à 65 % et concentration de CO₂ de 1 à 4 %. L’humidité est le paramètre le plus critique : en dessous de 50 %, la carbonatation ralentit faute d’eau pour la réaction ; au-dessus de 75 %, les pores du béton sont saturés et le CO₂ ne peut plus pénétrer.

Comment mesure-t-on la profondeur de carbonatation ?

La méthode normalisée selon la norme EN 14630 est le test à la phénolphtaléine : l’échantillon est cassé et une solution alcoolique de phénolphtaléine à 1 % est pulvérisée sur la surface fraîche. La zone non carbonatée (pH > 9) prend une coloration rose-violette, tandis que la zone carbonatée (pH < 9) reste incolore. La profondeur est mesurée en millimètres, du bord extérieur jusqu’à la zone colorée.

Avez-vous besoin d'une chambre climatique dédiée ou une pièce climatisée est-elle suffisante ?

Pour les essais conformes aux normes, une chambre de carbonatation dédiée , avec contrôle simultané du CO₂, de la température et de l'humidité, et enregistrement des données, est nécessaire. Une salle climatisée ne permet pas de contrôler la concentration de CO₂ ni de la maintenir stable dans le temps. Les chambres d'essai de carbonatation FDM intègrent un système de dosage de CO₂ avec rétroaction et maintien de la concentration à ±0,2 %.

Sources faisant autorité

• ISO 1920-12 — Essais du béton — Détermination de la résistance à la carbonatation.
• RILEM — Union internationale des laboratoires et experts en matériaux de construction.
• fib — Fédération internationale du béton structurel.
• UNI — Organisation italienne de normalisation.