Corrosion des armatures du béton armé en façade des bâtiments

Ce document traite d’une part, des dégradations par corrosion des ouvrages en béton armé en  façades des bâtiments en service et, d’autre part, la corrosion des armatures du béton armé en un mot tous les désordres sur Bâtiment, ouvrages d’art, …

Le béton sans  barre d’acier résiste mal à la traction.

Le béton armé est né de la fusion entre la résistance à la compression du béton et la résistance à la traction de l’acier.

Malgré sa réputation en matière de solidité, son talon d’Achille est la corrosion des armatures. La corrosion par définition est une destruction lente et progressive d’une matière.

La détérioration latente de l’armature n’étant pas toujours flagrante est donc un vrai danger pour la durabilité d’un ouvrage. Mécanisme de la corrosion La formation des rouilles par le contact des armatures avec l’air et l’humidité engendre un processus de dégradation qui endommage le béton entrainant des fissures, induit un éclatement du béton, et peut même…

Tout au long de son existence, le béton est soumis à de multiples phénomènes (climatiques, physico-chimiques, mécaniques, etc.) pouvant entraîner de potentiels désordres et dégradations impactant directement la santé des bâtiments, des infrastructures et des ouvrages.

• La corrosion des armatures du béton armé en façades des bâtiments
• La corrosion des armatures du béton armé.

Le béton est certes un corps inerte, mais il n’en évolue pas moins dans le temps, c’est un composé vivant subissant des changements constants : dilatations, fissures, maladies, ruptures et d’autres encore !

Les ouvrages et éléments concernés par la corrosion des armatures sont les suivants :

• Bâtiments : acrotères et balcons, dans toutes les atmosphères, éléments verticaux et terrasses, en milieux industriel et maritime. Ce sont bien sûr les éléments les plus sensibles des bâtiments, du fait soit de leur minceur, soit de la difficulté à maintenir des enrobages suffisants.

• Bâtiments industriels : poteaux et dalles. Ces éléments sont en effet soumis assez souvent à des expositions d’agents chimiques. Les poutres sont également des éléments particulièrement sensibles des constructions industrielles, car supportant parfois les dalles de plancher. Certaines d’entre elles sont parfois dans des états assez surprenants.

• Parkings : poutres et dalles, en milieu maritime ou montagneux. Cela est lié dans les deux cas à la présence des chlorures (provenant respectivement de l’eau de mer et des sels de déverglaçage).

Composants de structures préfabriquées : il ne semble pas que des problèmes importants soient à signaler dans cette rubrique, du fait probablement que les bétons sont mieux soignés et mieux mis en œuvre. Toutefois, les poteaux de lignes électriques par exemple semblent être un objet de préoccupation. Il existe également une importante pathologie touchant divers éléments de construction, due à l’utilisation dans les années 60-80 d’accélérateurs de prise à base de chlorures de calcium. Cela concerne des panneaux de façade, des acrotères, jardinières, etc.

• Ponts et ouvrages d’art : dans cette catégorie d’ouvrages, il apparaît que les zones les plus sensibles soient les tabliers, les appuis en superstructures, et les équipements de tablier où l’influence des sels de déverglaçage est importante.

Réservoirs (enterrés, au sol, aériens) : le principal problème de ces structures est lié aux circulations d’eau dues soit à la présence de fissures d’origines diverses (thermiques, mécaniques,….) ou de défauts d’enrobages des armatures, notamment si le milieu contient des sels agressifs (chlorures notamment). Sur les structures existantes souffrant de fissures, ou de fuites diffuses, les réparations consistent à colmater les défauts ou à installer une étanchéité.

Structures portuaires : celles situées en bord de mer souffrent de l’agression due aux chlorures. L’intensité de la corrosion est liée à l’agressivité du milieu (zone de marnage, d’éclaboussures, d’embruns). Des défauts d’enrobage ou de qualité du béton sont alors immédiatement mis en évidence.

Canalisations en béton armé et précontraint : la plupart sont enterrées, et des ruptures surviennent lorsque la protection du béton n’est plus suffisante (défauts locaux d’enrobage, présence de chlorures).

Il faut également signaler les monuments historiques protégés (églises ou autres ouvrages  en béton armé.

Certaines structures sont au contact de l’atmosphère : il s’agit, par exemple, des piles et tabliers de ponts, D’autres sont au contact avec le sol et éventuellement de l’eau : il s’agit, par exemple, de canalisations ou de pieux pour fondations. Enfin certaines structures sont au contact à la fois du sol et de l’eau ou de l’atmosphère et de l’eau. Il s’agit, par exemple, de culées de ponts, de quais (fluviaux ou maritimes), de tunnels ou de murs de soutènement.

Les milieux naturels que sont l’atmosphère, les sols ou les eaux, peuvent également contenir des produits qui sont agressifs vis-à-vis du béton armé, par exemple, des engrais ou des sels de déverglaçage.

Le béton lui-même peut être dégradé de diverses façons. Mais, le processus de corrosion des armatures dépend  assez peu de son origine.

Les dégradations mises en évidence sont des éclatements, des épaufrures et des fissures du béton d’enrobage. D’autres mécanismes peuvent également être à l’origine de ce type de désordres. Lorsque la corrosion est très avancée, des traces de rouille sont visibles, les armatures peuvent être mises à nu et leur dissolution (perte de section) constatée.

Corrosion des armatures

La corrosion des armatures a souvent pour conséquences des symptômes visibles sur le parement, tels que des éclats, épaufrures, taches de rouille. Dans certaines circonstances, toutefois, une délamination * dans le lit des armatures peut se produire, sans signes apparents de corrosion. La forme, l’étendue des désordres, leur intensité dépendent à la fois de la position des armatures (enrobage, et espacement), de la qualité du béton d’enrobage (compacité et homogénéité), et de l’environnement (nature de l’agent agressif : chlorures). Ainsi, lorsqu’une corrosion se manifeste, il est raisonnable de s’attendre à ce que le processus de dégradation s’étende au delà de la dégradation visible. La plupart des méthodes d’investigation sont donc orientées vers la détermination de caractéristiques liées à ces paramètres.

70 % des pathologies du béton sont liées à la corrosion des armatures en acier ordinaire.

Le délaminage ou délamination est la propriété à se cisailler dans son épaisseur longitudinalement.

   Photo ci-dessus

L’enrobage des armatures représente la distance entre la surface du béton et l’armature la plus proche (cadres, étriers, épingles, armatures de peau, etc.)

Il doit être suffisant pour garantir :

• la bonne protection de l’acier contre la corrosion ;
• la bonne transmission des efforts d’adhérence ;
• une résistance au feu convenable.

L’enrobage des armatures et les caractéristiques du béton d’enrobage sont les paramètres fondamentaux permettant de maîtriser la pérennité des ouvrages aux phénomènes de corrosion et donc leur durée d’utilisation. Ainsi il est possible de placer les armatures hors d’atteinte des agents agressifs en les protégeant par une épaisseur suffisante d’un béton compact, ayant fait l’objet d’une cure appropriée.

L’optimisation des performances du béton et de l’enrobage des armatures constitue un facteur essentiel pour assurer la durabilité des ouvrages.

Incidence de la qualité de l’enrobage

Dans des conditions normales, les armatures enrobées d’un béton compact et non fissuré sont naturellement protégées des risques de corrosion par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface du métal, d’une pellicule protectrice de ferrite Fe₂ O₃ CaO (dite de passivation). Cette pellicule est formée par l’action de la chaux libérée par les silicates de calcium sur l’oxyde de fer.

La présence de chaux maintient la basicité du milieu entourant les armatures (l’hydratation du ciment produit une solution interstitielle basique de pH élevé de l’ordre de 13). Tant que les armatures se trouvent dans un milieu alcalin présentant un pH compris entre 9 et 13,5, elles sont protégées.

 L’enrobage et la compacité ont un impact immédiat sur la période de propagation qui précède l’initiation et le développement de la corrosion des armatures. A titre d’exemple, il est couramment reconnu que l’augmentation de l’enrobage minimal d’une valeur de 10 mm permet d’augmenter la durée de service de l’ouvrage pour passer de 50 ans à 100 ans.

C’est l’enrobage nominal qui est précisé sur les plans d’exécution de l’ouvrage. Il constitue la référence pour la fabrication et pour la pose des armatures.

L’enrobage nominal est égal à la somme de l’enrobage minimal et d’une « marge de sécurité » pour tolérances d’exécution.

Les bâtiments et les ouvrages de génie civil courants correspondent à la classe structurale S4. Ils sont dimensionnés pour une durée d’utilisation de projet de 50 ans. Les ponts, à la classe structurale S6. Ils sont dimensionnés pour une durée d’utilisation de projet de 100 ans.

Ces durées supposent la mise en œuvre de bétons conformes aux tableaux N.A.F  de la norme NF EN 206/CN

Les modifications possibles de la classe structurale, en fonction de choix particuliers pour le projet (durée d’utilisation de projet, classe de résistance du béton, nature du ciment, compacité du béton d’enrobage), engageant le maître d’œuvre, sont données dans le tableau 4.3 N (F). à l’article 4.4.1.2 (5) de l’Annexe Nationale de la norme NF EN 1992-1-1.

Investigations, sondages basiques, et relevés 

Nous commençons par réaliser un examen visuel de la structure accompagné d’un relevé des éventuels désordres et pathologies (fissures, éclats de béton, corrosion des aciers, altération des bois, malfaçons, etc.).

Nous effectuons ensuite toutes les investigations nécessaires afin de déterminer et de caractériser la structure porteuse du bâtiment (des fondations à la charpente, en passant par les murs, les poteaux, les poutres, les poutrelles, et les planchers), qu’il s’agisse de béton armé, de bois, de métal, de maçonnerie, ou autre.

Le Groupe J.D.T.G  dispose des moyens humains et matériels nécessaires pour réaliser ces reconnaissances structurelles de base, notamment du matériel de pointe, le géoradar. 

Ce dernier permet d’obtenir un certain nombre d’informations sur la structure interne de l’élément ausculté. Par exemple, à l’aide du radar de structure (2,6 GHz), nous pouvons obtenir avec précisons l’épaisseur d’une dalle, d’une chape, d’une poutre ou d’un voile, et connaître la configuration du ferraillage (enrobage, nombre de nappes, de files et de lits). Il est alors préférable de compléter ces mesures par un sondage destructif ponctuel afin de déterminer le diamètre exact et la nature de l’acier (HA ou RL).

Lorsqu’il n’est pas possible de réaliser d’essai destructif, nous utilisons le ferroscan pour évaluer le diamètre de l’acier. D’autres appareils d’auscultation, tels que le scléromètre, l’appareil à ultrasons ou l’humidimètre, nous permettent d’évaluer l’état et la résistance mécanique des structures.

Ce matériel d’auscultation représente un atout considérable, notamment en milieu occupé, car cela nous permet de limiter au maximum les sondages destructifs, et donc de réduire les nuisances sonores, la propagation de poussière, les nuisances esthétiques, et la durée des investigations.

Visite préliminaire

Les techniques non destructives de contrôle des matériaux et des ouvrages sont des outils d’investigation et de diagnostic. Elles permettent aux maîtres d’œuvre et maîtres d’ouvrage d’avoir un état des lieux des structures et des pathologies… C’est 85 % des expertises du cabinet J.D.T.G.

 La visite préliminaire a pour objet d’améliorer la compréhension du client et du fonctionnement de la structure, de préciser les conditions environnementales, les désordres visibles, l’accessibilité des parties dégradées. Cette inspection débouche sur un pré-diagnostic et sur un programme d’investigations.

Elle comprend :

• la collecte des informations nécessaires à la compréhension de l’ouvrage : historique, documents, dossiers, rapports, implantation, orientation, date de construction, plans de coffrage et de ferraillage, environnement (nature chimique, vents dominants), matériaux (ciment, agrégats, dosage), etc.
• un examen succinct de l’intégralité de la structure, et le relevé de tous les symptômes avec prise de photographies. On utilisera les moyens d’accès les plus adaptés : il est nécessaire de voir de près les surfaces dégradées. Quelques tests simples (profondeur de carbonatation, présence de chlorures, alcali-réaction) pourront être envisagés à cette étape, afin d’orienter le programme d’analyse futur).

Après cette visite, l’ingénieur sera capable :

• d’émettre le pré-diagnostic sur les causes probables des désordres,
• d’effectuer la mise au point du programme des investigations. Ce dernier tiendra compte de toutes les sujétions relatives à l’accès, l’environnement, la présence d’énergie électrique etc.,
• d’évaluer si la mise en jeu des responsabilités et garanties est nécessaire,
• et de faire évoluer les mesures de sauvegarde (limitation du trafic, mise sous surveillance renforcée…). Il doit également estimer le coût probable et la durée des investigations, si celles-ci sont raisonnables au vu de la valeur vénale de l’ouvrage…

Inspection détaillée

L’inspection visuelle de la totalité de la structure est mise en œuvre afin de détecter tous les signes de détérioration, et d’identifier toutes les sources potentielles de désordres. Elle comprend les deux phases suivantes :

• Préparation de l’inspection Il s’agit tout d’abord de vérifier et compléter les informations recueillies lors de la visite préliminaire, de rechercher des documents de synthèse déjà établis, tels que les précédents rapports d’expertise, etc. Les moyens d’accès seront recensés et définis au préalable, et toutes les dispositions prises (sécurité, accès, nettoyage, etc.).
• Inspection L’inspection proprement dite comprend le relevé, éventuellement sur plans, de tous les désordres visibles, et de tous renseignements utiles quant à l’aspect du parement :
• la présence d’anciens revêtements, ou de produits d’imprégnation,
• l’apparence de la surface du béton, stalactites, efflorescences, traces de rouille,
• la présence de fissures, (ouverture, réseau),
• la détérioration de la peau du béton,
• les armatures apparentes et les épaufrures,
• la déformation de la structure,
• la détection de zones sonnant creuses,
• les traces d’humidité.

Le programme des investigations est établi en tenant compte des contraintes et impératifs suivants :

• l’importance de la structure,
• la nature, la gravité et l’intensité des phénomènes, la sécurité des personnes,
• les délais et les coûts,
• l’accessibilité,
• l’environnement, etc.

Mesure de l’enrobage des armatures

L’enrobage des armatures est un paramètre déterminant dans les phénomènes de corrosion. La technique de mesure de l’enrobage fait appel à de nombreux appareils disponibles sur le marché, basés sur des principes magnétiques ou réflectométriques (radar géophysique). Toutefois, les précisions et sensibilités varient fortement d’une technique à l’autre, notamment en fonction de la densité du ferraillage. Ces techniques, dont les performances sont fonction de leur principe de base, permettent d’accéder aux informations suivantes :

• enrobage (profondeur),
• estimation du diamètre des armatures,
• présence d’armatures adjacentes,
• reconnaissance du profil de l’acier.

Contraintes structurelles

L’une des conséquences de la corrosion des armatures du béton armé est un affaiblissement de la structure L’expert du cabinet J.D.T.G  en charge de l’expertise doit toujours avoir à l’esprit le respect de la sécurité de service de l’ouvrage, donc de sa stabilité. Il doit, avant même d’envisager des solutions de traitement de cette corrosion, estimer l’état général de la structure et en comprendre le fonctionnement. Il doit prendre en compte, comme pour un projet nouveau, les contraintes de service d’exploitation, de charges et d’environnement de la structure.

Une visite approfondie de la structure, permettra de déceler les indices révélateurs de la perte de résistance de la structure, tels que les fissures, les écaillages et écrasements locaux de béton etc. Quelquefois cette inspection révélera que la corrosion est d’abord due à un dysfonctionnement de la structure et qu’elle n’est en fait qu’un facteur aggravant.

Les structures visitées sont en général en service et soumises à des chargements, leur âge et leur état général permettent à l’expert du cabinet J.D.T.G  d’apprécier les qualités de la conception d’origine et leur fonctionnement structurel. Il ne convient pas de modifier systématiquement les structures, quand leur comportement est satisfaisant. Mais le traitement de la corrosion qui sera envisagé respectera en général le projet, en lui redonnant ses caractéristiques originelles.

Respect du fonctionnement de la structure en l’état :

La corrosion des armatures du béton armé peut entraîner un appauvrissement des capacités portantes de la structure. Cette perte de résistance se manifeste par des altérations des matériaux qui sont les suivantes.

Pertes de section du béton

Le foisonnement des oxydes de fer développe des contraintes qui peuvent endommager le béton, allant jusqu’à l’éclater. Il en résulte que les sections résistantes de béton diminuent, les contraintes s’organisent, et transitent par les zones adjacentes. La simple reconstitution de ces sections par un produit de ragréage, n’est pas toujours suffisante pour retrouver le fonctionnement originel de la structure. Il faudra quelquefois avoir recours à des techniques de vérinage pour soulager la structure, avant de reconstituer la section altérée. Cela peut être le cas dans des zones comprimées, la nature des produits de reconstitution devra alors tenir compte de la composition du béton en place et de son module d’élasticité.

Pertes de section des armatures

La corrosion métallique est une dissolution, donc une perte de section des armatures. Le facteur de sécurité pris en compte dans les calculs de dimensionnement, s’en trouve réduit. L’expert du bureau d’études en lien avec l’expert du cabinet J.D.T.G en charge de la réhabilitation de la structure devra estimer autant que possible ces pertes.

L’estimation se fait généralement de façon statistique après une série de mesures des diamètres résiduels effectuées dans des sondages.

Pour les visites d’évaluation, il est très rare de disposer des moyens d’accès utilisés pour l’exécution du chantier. Les sondages d’évaluation sont généralement réalisés dans des zones d’accès faciles, où les sections ne sont pas toujours les plus sollicitées. Notre bureau d’études limitant ses actions aux accessibles.

Nous gardons ainsi la possibilité de faire faire exécuter de nouveaux sondages dans les sections les plus sollicitées, par nos prestataires.

Notre bureau d’études : Pour prévoir un éventuel renforcement d’armature. Si la perte de section est supérieure à 10%, il conviendra de renforcer les armatures. Il faut, bien entendu, s’assurer que les charges de services n’ont pas évolués, et que réglementairement les armatures en place correspondent aux sollicitations. L’apport de nouvelles armatures peut alors se faire dans la masse, après démolition des zones et reconstitution du béton, soit par un apport externe enrobé dans un béton projeté connecté à la structure, soit par des armatures additionnelles collées sous forme de plaques de tôle ou de tissus de carbone.

Ancrage et entraînement des armatures

Les oxydes de fer forment autour des armatures une gaine qui, à partir d’une certaine importance, peut diminuer leur adhérence au béton. Cette perte d’entraînement des barres conduit alors à une perte générale de la résistance de la structure. La mobilisation des efforts par les barres en traction peut être modifiée par un glissement relatif de l’ancrage lors de sollicitations, la mobilisation des efforts se fait alors avec de plus grandes déformations. Il faut alors quelquefois dégarnir les enrobages de béton altérés pour les reconstituer, ces opérations libèrent totalement les ancrages de barres. Quand ils ne sont pas accompagnés d’un étaiement soigné de la structure avant le repiquage, ces dégarnissages modifient profondément son fonctionnement, et peuvent présenter un réel danger lors de l’exécution

Respect des matériaux en place

Les traitements de corrosion des armatures du béton armé sont réalisés soit par des apports de matériaux en surface, soit par des reconstitutions de forme après purge, soit par des procédés agissant en profondeur. Le choix des techniques doit être fait en considérant les matériaux constitutifs de la structure, tant sur un plan physique que chimique. Ainsi, le traitement de la corrosion des armatures ne doit pas entraîner une dégradation du béton en place, qui serait due à l’incompatibilité de deux produits en présence. L’action des produits de protection des armatures ne doit pas engendrer, vis-à- vis du béton, des actions secondaires préjudiciables au bon fonctionnement de la structure.

Les expertises du cabinet J.D.T.G et /ou du Bureau d’études structures :

D’évaluation de structures de béton endommagées

Dans les dossiers qui nous sont confiés par nos clients internationaux,  là où une structure de béton manifeste des détériorations ou des faiblesses, nos techniciens experts  peuvent répondre et apporter à leurs clients une assistance, des conseils et une expertise adaptée à leurs besoins. Avec l’offre de services non exhaustifs suivants  et en fonction des prestations décidées :

• Évaluation de la précarité de la structure, du risque d’aggravation ou d’effondrement,
• Sécurisation des lieux,
• Analyse technique en vertu des différentes normes pouvant être applicables avec la production d’un rapport illustré et commenté destiné à des fins d’avis technique,
• Détermination des solutions de reconstruction ou de réparation,
• Production des plans d’esquisse et devis de réhabilitation suivant le sinistre avec ou sans remise aux normes selon l’ouvrage,
• Estimation des coûts, budget général, ou par nécessité selon l’état de l’ouvrage.