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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

bon jour

 

pour le ciment CRS es que le ciment CRS résiste le sulfate a l’intérieure du béton par exemple je prépare un béton avec un sable contient de taux de sulfate élevée >0.4   le CRS inhibition le sulfate et le béton ne éclaté  pas avec le tempe ?