Une nouvelle pathologie du béton : l'ettringite différée
Accueil /Prévention /Pratique : les fiches techniques
Fiches techniques
Une nouvelle pathologie du béton : l'ettringite différée
On constate, depuis quelques années, des dégradations progressives de certains ouvrages en béton, attribuées à une réaction sulfatique interne : l'ettringite différée. Le point de l'expert sur cette nouvelle pathologie du béton.
L'origine : les sulfates internes au béton
Le résultat : l'ettringite (minérologie, mode de formation et d'expension)
Facteurs déterminants de la formation différée de l'ettringite
Diagnostic d'un ouvrage affecté par un gonflement interne
Réparation des ouvrages
0 En savoir plus 0
> Consulter les fiches pathologie et illustration traitant du thème "structures et gros oeuvre"
L'origine : les sulfates internes au béton
Depuis quelques années, plusieurs sinistres, concernant, en particulier, des piles ou tabliers d'ouvrages d'art, mais aussi des ouvrages du bâtiment, ont pu être attribués à une réaction sulfatique interne et plus précisément à la formation différée de l'ettringite.

Contrairement aux attaques sulfatiques du béton par l'extérieur (alcali-réactions), qui provoquent une dégradation progressive du béton, de l'extérieur vers le cœur de la pièce, la réaction sulfatique interne affecte l'ensemble du béton.

Survenant dans des configurations spécifiques de paramètres multiples, encore mal connus, ce phénomène provoque un gonflement interne du béton, entraînant une fissuration multidirectionnelle du matériau, peu différente, à vrai dire, de celle de l'alcali-réaction.

Ce phénomène concerne principalement les bétons ayant subi un traitement thermique relativement élevé (étuvage > 65°C) et se rencontre pour des bétons de composition particulièrement sensible et soumis à un environnement favorable à long terme (humidification fréquente). Il semble favorisé par la présence d'alcalins provenant du ciment. Il peut aussi apparaître dans des pièces massives en béton, par exemple des piles d'ouvrages d'art de grandes dimensions, dans lesquelles naissent, du fait de la prise, des températures élevées.

L'origine des sulfates, interne ou externe, est diverse :

origine des sulfates
Composants du ciment

Le ciment PORTLAND est un mélange de silicates et d'aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux CaO (80%) avec la silice SiO2, l'alumine Al2O3 et l'oxyde de fer Fe2O3 (20%). La chaux nécessaire est généralement apportée par les roches carbonatées (calcaires). La silice, l'alumine et l'oxyde de fer sont fournis par les argiles. Le principe consiste à chauffer dans un four le mélange intime de calcaire et d'argile pour décarbonater le calcaire et faire réagir la chaux ainsi libérée sur les éléments argileux pour obtenir les silicates tri- et bi-calciques (C3S, C2S), les aluminates et les aluminoferrites de chaux (C3A, C4AF). A 1450°C, le produit obtenu est le " clinker " ensuite refroidi. Ce sont les silicates qui, par réaction avec l'eau, donnent les C-S-H, responsables de la prise du ciment : C3S ou C2S à C-S-H + Ca (OH)2 (Ca (OH)2 en excès = portlandite) Pour régulariser la prise du clinker, on y ajoute environ de 3% à 6% de gypse. Les normes françaises NF 15 300 et NF15 301 définissent les diverses catégories de ciment, chaque catégorie étant caractérisée par sa composition et les résistances mécaniques à diverses échéances .
Notation des cimentiers

C = CaO S = SiO2 A = Al2O3
F = Fe2O3 H = H2O
Les principaux composants du ciment se notent comme suit :
Silicate tri-calcique :
Ca3 Si O5 = 3 CaO Si O2 = C3S = alite
Silicate bi-calcique :
Ca2 Si O4 = 2 CaO SiO2 = C2S = bélite
Aluminate tri-calcique :
Ca3 Al2 O6 = 3 CaO Al2O3 = C3A
Aluminoferrite tétra-calcique :
Ca4 Al Fe O10 = 4CaO Al2O3 Fe2O3 = C4AF
Les milieux les plus agressifs pour les bétons sont souvent les milieux salins et très souvent les milieux sulfatiques qui représentent donc un risque majeur d'agression chimique pour ces matériaux. Une enquête de l'OCDE réalisée en 1989 indique que l'attaque par les sulfates est la deuxième cause mondiale de dégradations relevées sur 800 000 ouvrages d'art. Néanmoins, il faut souligner que le concepteur dispose actuellement des règles et des spécifications qui permettent de formuler et de mettre en place des bétons permettant d'éviter la plupart des désordres de ce type dans les ouvrages de bâtiment ou de génie civil (se reporter notamment à l'additif du fascicule 65-A).
Le résultat : l'éttringite (minéralogie, mode de formation et d'expension
L'ettringite ou sel de Candlot est un trisulfoaluminate de calcium hydraté de formule :
3 CaO . Al2O3 . 3CaSO4 . 32H20

Sans mettre en évidence l'origine de l'ettringite, en particulier de celle d'origine endogène, mais pour en différencier son échéance de cristallisation, l'AFGC (Association Française du Génie Civil) propose la nomenclature suivante :
  • l'ettringite dite d'hydratation précoce, non nocive, indispensable pour réguler la prise du ciment et se formant au plus jeune âge de l'hydratation du ciment par action des sulfates du gypse sur l'aluminate tricalcique ;
  • l'ettringite dite tardive ou différée, nocive car provoquant un gonflement et à terme, une désagrégation du matériau durci, les sulfates ayant une origine interne ou externe
La formation de l'ettringite différée peut schématiquement se résumer comme suit :
  • formation de gypse dit " tardif " qui résulte d'une substitution entre la portlandite Ca(OH)2 et les sulfates solubles ;
  • puis réaction entre le gypse "tardif" et les aluminates de calcium du ciment.
Les mécanismes d'expansion liée à la formation de l'ettringite différée sont actuellement l'objet d'hypothèses diverses que l'on peut classer ainsi :
  • expansion du fait de l'adsorption d'eau par l'ettringite "colloïdale", qui pourrait manifester un défaut de cristallisation (notion de gel ou de colloïde) du fait de la présence de chaux Ca(OH)2 et, de ce fait, présenter un caractère expansif ;
  • expansion par pression de cristallisation de l'ettringite, pouvant, selon certains chercheurs, atteindre des valeurs très élevées (70 MPa à 240 MPa par comparaison à la résistance à la traction du béton de l'ordre de 3 à 6 MPa) ;
  • gonflement produit par le phénomène de la double couche électrique, par répulsion entre les particules d'ettringite, chargées négativement, qui perdent progressivement les ions alcalins. Ces forces de répulsion dépendent du PH de la solution interstitielle.
Facteurs déterminants de la formation différée de l'ettringite
La formation différée de l'ettringite n'est susceptible de se produire à long terme que dans certaines conditions spécifiques, que nous pouvons regrouper en 4 groupes à savoir :
Paramètres liés à la température
Une élévation importante de température, au sein du béton en cours de prise, est favorisée par l'utilisation de ciments fortement exothermiques pour l'exécution de pièces massives mais aussi par un dosage en ciment élevé et par une mise en œuvre effectuée durant la période estivale.
Après prise du béton à chaud, un retrait gêné peut se produire en raison des gradients thermiques, lors du refroidissement, induisant de ce fait des contraintes mécaniques qui peuvent conduire à la fissuration des ouvrages. Cette fissuration, en facilitant les transferts d'ions et d'eau, constitue un facteur propice à l'accélération des mécanismes nécessaires à la formation différée d'ettringite.
Paramètres liés au ciment
Le rôle des alcalins du ciment est primordial dans le développement de la réaction. Par contre, il n'existe pas encore de teneurs critiques en Na20, parfaitement établies et validées.
Certains auteurs évaluent le potentiel de réactivité des bétons vis-à-vis de la formation différée de l'ettringite à partir du rapport SO3 / AL2O3 (seuil critique fixé à 0,7).
Paramètres liés au béton
La pathologie s'accroît avec des bétons surdosés en ciment. Comparés aux granulats siliceux, les granulats calcaires augmentent la période d'incubation.
Paramètres liés à l'environnement
Une des conditions indispensables au développement de la réaction est la présence d'une humidité suffisamment élevée. Des cycles humidification - séchage paraissent accélérer la cinétique de la réaction.

En conclusion, cinq à six facteurs concomittants sont nécessaires pour causer la formation différée de l'ettringite, ce qui limite vraisemblablement le nombre d'ouvrages actuellement touchés par cette pathologie.
Diagnostic d'un ouvrage affecté par un gonflement interne
Le diagnostic d'un ouvrage affecté par un gonflement interne dépend de la gravité des désordres et notamment de l'état apparent de l'ouvrage et de la vitesse d'évolution du phénomène. Il fait appel à deux grands types de moyens d'investigation :
Le suivi in situ du gonflement de la structure et de sa fissuration dans le temps
La caractérisation de l'état d'endommagement de l'ouvrage s'effectue à partir de l'indice de fissuration, dont la méthode d'établissement est définie dans un document intitulé LPC 47 " Détermination de l'indice de fissuration d'un parement de béton " et édité en 1997 par le LCPC.
L'évaluation et le suivi des déformations globales de la structure, dues au gonflement, s'effectuent par des moyens adaptés en fonction de la précision souhaitée : distancemétrie par fil Invar ou infrarouge, extensométrie , etc. Un suivi concomittant de l'hygrométrie et de la température permet de corriger les résultats obtenus.
L'analyse en laboratoire d'échantillons prélevés sur l'ouvrage
Ces analyses sont seules susceptibles de déterminer l'origine du gonflement. Le microscope électronique à balayage (MEB) est actuellement la seule technique permettant de caractériser, avec certitude, l'origine du gonflement : alcali-réaction ou/et réaction sulfatique (ettringite différée).
En complément, il peut être nécessaire d'effectuer des analyses complémentaires, minéralogiques et chimiques ou des examens pétrographiques.

Ces examens permettent :
  • d'obtenir des informations utiles sur la formulation du béton (nature des constituants, nature des granulats, type de ciment, dosage en ciment, teneur en alcalins, etc) ;
  • de déterminer l'origine interne ou externe des sulfates.
Le diagnostic étant confirmé, des essais d'expansion résiduelle peuvent être réalisés pour estimer si le béton est encore susceptible de gonfler et dans quelles proportions. De tels essais existent pour l'alcali-réaction (méthode LCPC n° 44) et sont en cours de développement par le LCPC pour les réactions sulfatiques internes.
Réparation des ouvrages
Il n'existe pas actuellement de méthodologie de traitement qui soit suffisamment efficace pour réparer durablement les ouvrages atteints de réaction de gonflement interne du béton, voire même pour arrêter l'évolution des désordres.
Le calcul des structures dégradées permet de déterminer la résistance résiduelle de l'ouvrage et de prévoir l'effet des réparations envisagées.
Les interventions possibles sur l'ouvrage malade n'ont pas toutes la même efficacité :
Injection des fissures
Les réparations basées sur l'injection des fissures à l'aide de résines époxydes se sont soldées par des échecs suite à la réouverture des fissures existantes ou à l'ouverture de fissures nouvelles.
Application d'une peinture
Le revêtement, de faible épaisseur (200 à 300 microns), a une efficacité quasiment nulle dans la mesure où le système est perméable à la vapeur d'eau et relativement perméable à l'eau.
Mise en œuvre de revêtements d'étanchéité
La mise en oeuvre d'un revêtement étanche peut apporter un résultat positif, permettant de prolonger la vie des ouvrages, à condition de faire appel à des systèmes suffisamment étanches, mis en œuvre dans des conditions satisfaisantes et susceptibles de suivre les gonflements successifs (élasticité du revêtement).
Mise en œuvre d'un renfort à base d'armatures passives ou actives
Le confinement de la réaction de gonflement du béton à l'aide d'armatures passives ou actives a une action immédiate sur l'évolution des dommages mais l'efficacité à long terme d'un tel système dépend de l'évolution postérieure de la réaction.
Libération des contraintes par sciage des structures
Le comportement après gonflement pouvant empirer du fait du blocage de la structure, il peut être envisagé le sciage de certains éléments afin de libérer les contraintes nuisibles à cette dernière. Cette solution ne s'applique que dans des cas très particuliers et doit être reconduite au fur et à mesure de la poursuite de la réaction sulfatique.
Démolition et reconstruction des ouvrages
Dans les cas extrêmes.