Le béton armé est le matériau de construction par excellence du 20ème et 21ème siècle. Sa robustesse et sa polyvalence sont légendaires. Pourtant, il n’est pas invulnérable. Parmi ses pathologies les plus courantes et insidieuses se trouve la carbonatation du béton. Ce processus chimique lent et silencieux est l’une des principales causes de dégradation des ouvrages, menant à la corrosion des armatures et à des dommages structurels coûteux. En tant qu’ingénieur en génie civil, comprendre, diagnostiquer et traiter ce phénomène est essentiel pour garantir la pérennité de nos infrastructures.

Cet article vous offre un guide détaillé sur la carbonatation, de la réaction chimique à l’origine du problème jusqu’aux stratégies de prévention les plus efficaces, en passant par les méthodes de diagnostic et de réparation.

Qu’est-ce que la Carbonatation du Béton ? Un Processus Chimique Silencieux

À la base, la carbonatation est une réaction chimique naturelle. Le béton sain est un milieu très alcalin, avec un pH généralement supérieur à 12,5. Cette alcalinité est principalement due à la présence d’hydroxyde de calcium, Ca(OH)₂, aussi appelé portlandite, un sous-produit de l’hydratation du ciment. C’est cet environnement fortement basique qui protège les armatures en acier en créant une fine couche d’oxyde protectrice, appelée couche de passivation.

La carbonatation se produit lorsque le dioxyde de carbone (CO₂) présent dans l’atmosphère pénètre dans les pores du béton et réagit avec la portlandite. Cette réaction neutralise l’alcalinité du béton.

Les Facteurs Clés qui Accélèrent la Carbonatation

La vitesse à laquelle le front de carbonatation progresse dans le béton n’est pas constante. Elle dépend de plusieurs facteurs interdépendants :

• La qualité et la compacité du béton : Un béton avec un rapport Eau/Ciment (E/C) élevé sera plus poreux, facilitant la pénétration du CO₂. Une mauvaise vibration lors de la mise en œuvre laisse des vides qui agissent comme des autoroutes pour les agents agressifs.
• L’humidité relative : Le processus de carbonatation nécessite la présence d’eau. La vitesse est maximale pour une humidité relative comprise entre 50% et 70%. Si le béton est trop sec, la réaction ne se fait pas ; s’il est saturé d’eau, les pores sont bouchés et le CO₂ ne peut pas pénétrer.
• La concentration en CO₂ : Les structures situées dans des environnements pollués (zones urbaines, tunnels, parkings souterrains) sont beaucoup plus exposées et verront une carbonatation plus rapide.
• La température : Une température plus élevée tend à accélérer les réactions chimiques, y compris la carbonatation.

L’Impact Dévastateur sur les Armatures en Acier

Tant que le front de carbonatation n’a pas atteint les armatures, le béton lui-même ne subit pas de dégradation mécanique significative. Le vrai danger commence lorsque la zone neutralisée atteint l’acier. Lorsque le pH descend en dessous de 9,5, la couche de passivation qui protégeait l’acier devient instable et se dissout. L’acier n’est plus protégé et, en présence d’humidité et d’oxygène, le processus de corrosion s’amorce. C’est le début de la fin pour l’intégrité de l’élément en béton armé.

« La carbonatation ne détruit pas le béton, elle désactive son système de défense intégré contre la corrosion. C’est un cheval de Troie qui ouvre la porte à l’ennemi principal : la rouille. »

– Dr. Hélène Dubois, Spécialiste en Durabilité des Matériaux

Identifier les Symptômes : Les Signes d’Alerte Visibles

La corrosion des armatures n’est pas un processus discret. Les oxydes de fer (la rouille) qui se forment sont beaucoup plus volumineux que l’acier d’origine (jusqu’à 6 fois le volume !). Cette expansion exerce une pression immense sur le béton d’enrobage, menant à des signes visibles qui doivent alerter tout ingénieur ou gestionnaire d’ouvrage :

• Fissuration : Des fissures fines apparaissent, souvent parallèles au tracé des armatures.
• Taches de rouille : Des efflorescences ou des coulures de couleur rouille apparaissent à la surface du béton.
• Épaufrures et éclatements : À un stade avancé, la pression devient si forte que le béton d’enrobage se détache et tombe, exposant les armatures corrodées. C’est ce qu’on appelle l’éclatement ou le « spalling ».

Une bonne compréhension de la pathologie du béton liée à la carbonatation et son diagnostic est la première étape pour une intervention réussie.

Diagnostic Précis : Comment Mesurer la Carbonatation ?

Avant toute réparation, un diagnostic rigoureux est indispensable. Il vise principalement à mesurer la profondeur du front de carbonatation. La méthode la plus simple et la plus répandue est le test à la phénolphtaléine.

Le Test à la Phénolphtaléine

Ce test colorimétrique est très efficace. On prélève un échantillon (par forage ou en cassant un petit éclat) ou on le réalise directement sur une surface fraîchement cassée. On pulvérise ensuite une solution de phénolphtaléine sur la zone. Le résultat est immédiat :

• La zone saine et alcaline (pH > 9) se colore en rose-fuchsia.
• La zone carbonatée (pH < 9) reste incolore.

La mesure de la distance entre la surface et le début de la zone colorée donne la profondeur de carbonatation. Pour une analyse plus fine, la méthode de la carte de carbonatation permet de visualiser l’avancement du front sur une surface plus large.

Autres Méthodes de Diagnostic

Pour un diagnostic complet, d’autres techniques peuvent être employées :

• Le carottage : La procédure de carottage du béton permet de prélever des échantillons cylindriques pour des analyses en laboratoire (mesure de résistance, porosité, etc.) et de réaliser le test à la phénolphtaléine sur une coupe nette.
• Les essais non destructifs : Des techniques comme les essais non destructifs par ultrasons ou au scléromètre peuvent donner des informations sur l’homogénéité du béton, bien qu’elles ne mesurent pas directement la carbonatation.

Profondeur de Carbonatation vs. Enrobage : Le Point Critique

Les Étapes d’une Réparation Durable du Béton Carbonaté

Réparer un béton affecté par la carbonatation et la corrosion est une opération délicate qui doit suivre un protocole strict pour être durable.

1. Purge du béton dégradé : Tout le béton carbonaté, fissuré ou délaminé doit être retiré à l’aide d’outils mécaniques (marteau-piqueur léger, hydrodémolition) jusqu’à atteindre un support sain.
2. Traitement des armatures : Les armatures exposées doivent être entièrement dégagées et nettoyées pour enlever toute la rouille (brossage mécanique, sablage). Si la perte de section est trop importante, des aciers de renfort doivent être ajoutés. La qualité du scellement de ces nouvelles barres d’armature est primordiale.
3. Application d’un passivant : Les armatures propres sont ensuite revêtues d’un produit passivant (souvent à base de ciment et de polymères) pour recréer artificiellement un environnement protecteur.
4. Reconstitution du volume : Le volume est reconstitué avec un mortier de réparation spécifique, non-retrait, compatible avec le support existant et offrant une bonne protection contre la pénétration future du CO₂. Pour les fissures fines, l’injection de résine dans les fissures du béton est une technique de réparation complémentaire.

L’ensemble de ces étapes relève d’une expertise technique pointue, souvent encadrée par un diagnostic de durabilité et une expertise technique approfondie.

La Prévention : La Meilleure Stratégie contre la Carbonatation

Comme souvent en génie civil, la meilleure réparation est celle que l’on n’a pas à faire. La lutte contre la carbonatation commence dès la phase de conception et d’exécution de l’ouvrage.

• Formulation du béton : Utiliser un rapport E/C bas (inférieur à 0,50), un dosage suffisant en ciment et des granulats de bonne qualité permet d’obtenir un béton dense et peu poreux. L’utilisation de bétons fibrés à hautes performances peut également améliorer la durabilité.
• Mise en œuvre soignée : Une vibration correcte est essentielle pour éliminer les bulles d’air et assurer la compacité du béton.
• Enrobage suffisant : Respecter et même augmenter les épaisseurs d’enrobage réglementaires (selon les classes d’exposition) est la barrière physique la plus efficace pour retarder l’arrivée du front de carbonatation aux aciers.
• Cure du béton : C’est une étape trop souvent négligée. Un guide sur la cure du béton explique que protéger le béton du dessèchement prématuré pendant les premiers jours est crucial pour permettre une hydratation complète du ciment et donc obtenir une peau de béton dense et imperméable.

Traitements Complémentaires : Revêtements et Inhibiteurs de Corrosion

Sur des ouvrages existants, sains ou déjà réparés, des traitements préventifs peuvent être appliqués pour ralentir ou stopper la progression de la carbonatation. L’application d’une peinture anti-carbonatation forme un film étanche au CO₂ tout en laissant le support respirer à la vapeur d’eau. Il existe aussi des inhibiteurs de corrosion qui peuvent être appliqués en surface et migrent à travers le béton jusqu’aux armatures pour y former un film protecteur. Pour en savoir plus, des ressources comme le guide du CSTB sur le diagnostic de la carbonatation sont très utiles.

Conclusion : Protéger le Patrimoine en Béton pour l’Avenir

La carbonatation du béton est un processus inéluctable, mais sa vitesse et ses conséquences peuvent être maîtrisées. Une conception intelligente, une exécution rigoureuse et une maintenance préventive sont les piliers d’une gestion durable des ouvrages en béton armé. L’inspection régulière et le diagnostic précoce permettent d’intervenir avant que les dégradations ne deviennent structurelles et excessivement coûteuses. Face à ce phénomène, la connaissance est notre meilleur outil pour construire et entretenir des infrastructures sûres et pérennes pour les générations futures. Pour approfondir les mécanismes et la prévention de la carbonatation des bétons, des publications spécialisées sont disponibles.

EL Kouriani Abderrahim

Ingénieur civil et architecte avec une grande expérience dans la conception de structures.