Qu'est-ce que le test de teneur en chlorures dans le béton ?

Le test de teneur en chlorures est l’analyse chimique quantitative du béton pour déterminer la concentration d’ions chlorure présents dans la matrice cimentaire. Ce test est effectué sur des échantillons prélevés sur des structures en béton, principalement les tabliers de ponts, les parkings, les structures marines et les chaussées aéroportuaires, pour évaluer le risque de corrosion induite par les chlorures des armatures en acier noyées. Les ions chlorure, lorsqu’ils sont présents à l’interface acier-béton au-dessus d’une concentration critique, détruisent la couche d’oxyde passif protectrice qui protège normalement les armatures de la corrosion, initiant un processus électrochimique qui produit des produits de corrosion expansifs, des fissures du béton, des éclatements et finalement une détérioration structurelle. Le test génère des données exprimées en concentration de chlorures en pourcentage de la masse du liant ou de la masse du béton, tracées en fonction de la profondeur depuis la surface pour créer un profil de chlorures qui révèle à la fois le risque de corrosion actuel et la vitesse à laquelle les chlorures pénètrent le béton d’enrobage.

Chlorure total vs. Chlorure libre (soluble dans l’eau)

La distinction entre le chlorure total (soluble dans l’acide) et le chlorure libre (soluble dans l’eau) est fondamentale pour interpréter les résultats des tests de teneur en chlorures et réaliser des évaluations du risque de corrosion. Les deux mesures diffèrent par la fraction de la population totale de chlorures dans le béton qu’elles extraient et quantifient, et chacune offre une perspective différente sur le risque de corrosion.

Le chlorure total (chlorure soluble dans l’acide) est déterminé en digérant un échantillon de béton en poudre dans de l’acide nitrique chaud, ce qui dissout complètement la matrice cimentaire et libère tous les ions chlorure, à la fois ceux librement dissous dans la solution porale et ceux chimiquement liés dans les produits d’hydratation tels que le sel de Friedel (3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O). La mesure est effectuée selon ASTM C1152 (Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete) ou AASHTO T260 Procédure A. Le chlorure total représente la quantité maximale de chlorure qui pourrait potentiellement devenir disponible pour provoquer une corrosion si les chlorures liés sont libérés par carbonatation, des changements dans la chimie de la solution porale, ou d’autres mécanismes. La teneur en chlorure total est toujours plus élevée que la teneur en chlorure libre, typiquement d’un facteur de 1,25 à 1,4, bien que ce rapport varie avec le type de ciment, le rapport eau/liant, les conditions de cure et la présence de matériaux cimentaires supplémentaires tels que les cendres volantes ou le laitier qui augmentent la capacité de liaison des chlorures.

Le chlorure libre (chlorure soluble dans l’eau) est déterminé en faisant bouillir un échantillon de béton en poudre dans de l’eau distillée pendant cinq minutes, puis en le laissant reposer pendant 24 heures avant filtration et analyse selon ASTM C1218. Cette extraction ne dissout que les ions chlorure présents dans la solution porale, la fraction immédiatement disponible pour dépassiver les armatures en acier. Le chlorure soluble dans l’eau est l’indicateur le plus direct du risque de corrosion actuel car seuls les ions libres peuvent participer à la réaction électrochimique de corrosion à la surface de l’acier. Cependant, la mesure du chlorure soluble dans l’eau est plus sensible aux détails de la préparation de l’échantillon, à la température d’extraction et au rapport eau/échantillon, et peut sous-estimer le risque de corrosion si les chlorures liés sont libérés avec le temps à mesure que le béton vieillit ou se carbonate.

D’un point de vue scientifique de la corrosion, ce qui importe est la concentration d’ions chlorure libres à la surface de l’acier par rapport à la concentration d’ions hydroxyde dans la solution porale, exprimée par le rapport [Cl⁻]/[OH⁻]. La couche passive sur l’acier reste stable lorsque le rapport [Cl⁻]/[OH⁻] est inférieur à environ 0,6, bien que ce seuil varie avec la composition de l’acier, la température et l’état de surface. Exprimer la teneur en chlorures en pourcentage de la masse des matériaux cimentaires est une simplification pratique qui évite de devoir extraire et analyser directement la solution porale.

Seuil de corrosion

Le seuil de corrosion (également appelé teneur critique en chlorures ou niveau seuil de chlorures, CTL) est la concentration en chlorures à l’interface acier-béton qui est suffisante pour perturber la couche d’oxyde passive et initier une corrosion active. Ce seuil n’est pas une valeur universelle unique, c’est une distribution statistique influencée par de multiples paramètres interdépendants, notamment le pH du béton, la composition du ciment, le rapport eau-ciment, les conditions de cure, la teneur en humidité, la température, l’état de surface de l’acier (présence de calamine, de rouille ou d’imperfections de surface) et la disponibilité de l’oxygène à la cathode.

Pour les armatures en acier au carbone conventionnelles dans le béton de ciment Portland, le seuil de corrosion communément admis varie de 0,2 % à 0,4 % de chlorure total par rapport à la masse du ciment (environ 0,03 à 0,06 % de la masse du béton). Lorsqu’il est exprimé en chlorure soluble dans l’eau, le seuil est typiquement de 75 à 80 % de ces valeurs, soit environ 0,06 % à 0,10 % de chlorure soluble dans l’eau par rapport à la masse du ciment. L’American Concrete Institute (ACI) 222R (Protection of Metals in Concrete Against Corrosion) spécifie des limites maximales admissibles de 0,08 % de chlorure total ou 0,06 % de chlorure soluble dans l’eau par rapport à la masse du ciment pour le béton précontraint, et de 0,15 % de chlorure total ou 0,10 % de chlorure soluble dans l’eau pour le béton armé dans des environnements corrosifs.

La FHWA (Federal Highway Administration) a publié des revues de littérature approfondies sur les valeurs seuils de chlorures, notant que les valeurs rapportées par des études en laboratoire vont de 0,04 % à 2,5 % de la masse du ciment, selon les conditions d’essai et la définition de l’initiation de la corrosion. Les études de terrain sur des structures de ponts réelles montrent des seuils généralement compris entre 1,2 lb/yd³ (0,71 kg/m³) pour les armatures conventionnelles, équivalent à environ 0,2 % de la masse du ciment ou 0,03 % de la masse du béton en supposant 600 lb de ciment par yard cube de béton de poids normal.

Pour les aciers de précontrainte et les câbles de post-tension, les limites de chlorure admissibles sont significativement plus basses en raison de l’état de contrainte plus élevé et de la tolérance réduite aux dommages par corrosion. Les spécifications de construction des ponts AASHTO LRFD et le Post-Tensioning Institute (PTI) M55.01-03 limitent tous deux le chlorure total à 0,08 % de la masse du matériau cimentaire pour le coulis. La norme européenne EN 447 autorise 0,10 % de la masse du ciment pour le coulis. Ces limites expliquent pourquoi des tests rigoureux de chlorures sont obligatoires pour les matériaux de coulis dans la construction de ponts post-contraints.

Le seuil de corrosion est souvent exprimé de plusieurs manières dans les codes et spécifications :

Échantillonnage (Poudre de perçage par incréments de profondeur)

L’échantillonnage des chlorures est l’une des étapes les plus critiques de l’ensemble du processus de test, car la qualité du résultat analytique ne peut excéder la qualité de l’échantillon dont il est issu. Un échantillonnage inapproprié, une contamination croisée entre les incréments de profondeur, une masse d’échantillon insuffisante, un échantillonnage trop proche de fissures ou de délaminations, ou un échantillonnage sur des surfaces humides ou contaminées, produit des résultats non fiables quelle que soit la sophistication de l’analyse en laboratoire.

La méthode d’échantillonnage standard pour le profilage des chlorures est le perçage au marteau rotatif de trous de 1 pouce (25 mm) de diamètre à des incréments de profondeur prédéterminés. La procédure, codifiée dans AASHTO T260 et détaillée dans des protocoles spécifiques à chaque État comme l’Idaho IR-128, comprend les étapes suivantes. Tout d’abord, une grille de localisation d’échantillonnage est établie à une densité minimale d’un emplacement d’échantillonnage par 1 000 pieds carrés (100 m²) avec un minimum de trois emplacements par tablier de pont. Les emplacements sont choisis aux points de probable concentration élevée de chlorures : lignes de trottoir, lignes de caniveau, le côté inférieur des tabliers surélevés et les zones adjacentes aux joints de dilatation où l’eau chargée de sel de déverglaçage s’accumule. Les échantillons ne sont pas prélevés aux endroits où un délaminage, un éclatement ou un rapiéçage s’est déjà produit, car la corrosion à ces endroits est déjà évidente.

À chaque emplacement d’échantillonnage, trois trous sont percés dans un cercle de 6 pouces (150 mm) de diamètre pour obtenir une masse de poudre suffisante. Un marteau rotatif avec un foret à pointe carbure de 1 pouce par 12 pouces (25 mm par 300 mm) équipé de bagues de profondeur interchangeables contrôle la profondeur de perçage pour chaque incrément. La surface est d’abord scarifiée d’environ ¼ de pouce (6 mm) de profondeur pour éliminer la saleté et le sel de surface qui pourraient produire des lectures anormalement élevées. Le matériau scarifié est jeté. Les trous sont soufflés avec de l’air comprimé entre chaque incrément de profondeur.

Les incréments de profondeur standard sont typiquement de ½ pouce (15 mm), avec des profondeurs d’échantillonnage nominales de ¼–¾ de pouce (6–19 mm) pour l’incrément de surface, ¾–1¼ pouce (19–32 mm) pour le deuxième incrément, 1¼–1¾ pouce (32–44 mm) pour le troisième, et ainsi de suite par incréments de ½ pouce jusqu’à la profondeur d’échantillonnage maximale, qui doit s’étendre d’au moins ½ pouce en dessous de la profondeur des armatures. Le protocole FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) FLD-DC-MS-004 spécifie six incréments de profondeur pour le profilage des chlorures des tabliers de pont, l’incrément de surface de 0,25 à 0,75 pouce étant utilisé comme concentration de chlorure motrice (C₀) pour les calculs de diffusion.

Chaque échantillon de poudre, environ 15 grammes ou un flacon de 20 dram rempli aux trois quarts, est collecté dans un flacon en plastique étiqueté à l’aide d’une cuillère d’échantillonnage propre. Le foret, la bague de profondeur et la cuillère d’échantillonnage sont nettoyés entre les incréments de profondeur à l’aide d’une brosse en nylon, de serviettes en papier et de 2-propanol (alcool isopropylique) pour éviter toute contamination croisée. Les trois trous sont ensuite prolongés jusqu’à l’incrément de profondeur suivant en utilisant la bague de profondeur suivante, et le processus est répété. L’échantillonnage complet à un seul emplacement prend environ 30 à 60 minutes selon le nombre d’incréments de profondeur et la dureté du béton.

La méthode d’échantillonnage alternative est l’extraction de carottes selon ASTM C42, suivie de la découpe de la carotte en incréments de profondeur en laboratoire. Le protocole FHWA LTBP utilise des carottes de 2,5 pouces de diamètre pour le profilage des chlorures, les 3 pouces supérieurs de la carotte étant dédiés à l’analyse des chlorures. Les carottes sont coupées en tranches de ½ pouce d’épaisseur correspondant aux mêmes incréments de profondeur que ceux utilisés pour l’échantillonnage par poudre. La méthode par carotte fournit plus de matière pour l’analyse et permet un examen visuel du béton à chaque profondeur, mais est plus exigeante en main-d’œuvre et laisse un trou qui doit être rebouché.

Méthodes d’essai

La teneur en chlorures dans le béton est déterminée par plusieurs méthodes analytiques qui diffèrent en termes de précision, de rapidité, de coût et d’équipement requis. Le choix de la méthode dépend du niveau de précision requis, du nombre d’échantillons à analyser, des conditions de terrain par rapport au laboratoire et des normes applicables.

Titrage potentiométrique

Le titrage potentiométrique est la méthode de référence standard pour la détermination des chlorures dans le béton et est spécifié comme méthode primaire dans ASTM C1152 et AASHTO T260 Procédure A. La méthode consiste à extraire les chlorures d’un échantillon de béton en poudre pesé (typiquement 3 à 10 g) par digestion dans de l’acide nitrique chaud (pour les chlorures totaux) ou de l’eau chaude (pour les chlorures solubles dans l’eau). L’extrait filtré est ensuite titré avec une solution standard de nitrate d’argent (AgNO₃) tout en surveillant la différence de potentiel entre une électrode en billette d’argent et une électrode de référence à l’aide d’un millivoltmètre.

Le titrage se déroule selon la réaction : Ag⁺ (provenant d’AgNO₃) + Cl⁻ (provenant de l’échantillon) → AgCl (précipité). À mesure que le nitrate d’argent est ajouté de manière incrémentielle, la concentration en ions argent dans la solution reste très faible tant que des ions chlorure sont présents. Lorsque tout le chlorure a précipité sous forme de chlorure d’argent, le premier excès d’ions argent produit une augmentation brutale du potentiel à l’électrode, définissant le point d’équivalence. Le volume de titrant nitrate d’argent consommé pour atteindre le point d’équivalence est directement proportionnel à la teneur en chlorures de l’échantillon. Le point final est identifié en traçant la dérivée première (ΔE/ΔV) ou la dérivée seconde (Δ²E/ΔV²) de la courbe de titrage et en localisant le point d’inflexion.

Les systèmes de titrage automatisés modernes, tels que ceux de Metrohm, Mettler Toledo ou Hanna Instruments, effectuent le titrage et la détection du point final automatiquement, stockant les données potentiométriques pour l’assurance qualité. Le protocole FHWA LTBP exige la conservation des enregistrements de titrage détaillés, y compris les étalons de calibration, les corrections de blanc et le journal complet de l’ajout incrémentiel de titrant avec les lectures de tension correspondantes. Les systèmes automatisés atteignent généralement une précision de ±0,001 % de chlorure en masse d’échantillon.

Bandelettes titratrices Quantab

La méthode Quantab (également appelée bandelettes titratrices Quantab) est un test de terrain simplifié pour estimer la teneur en chlorures dans le béton sans équipement de laboratoire. La méthode est décrite dans le Transportation Research Record 1347 (Measuring the Chloride Content of Concrete, 1992) et implique la procédure suivante. Un échantillon de 5 g de béton en poudre est digéré dans 50 mL d’acide nitrique 1N, on le laisse reposer en agitant occasionnellement, puis on le filtre sur papier filtre. Une bandelette Quantab, une colonne capillaire plate imprégnée de bichromate d’argent, est placée verticalement dans le filtrat.

La solution monte dans le capillaire par action capillaire, et les ions argent réagissent avec les chlorures pour former un précipité blanc de chlorure d’argent. Au fur et à mesure que le précipité se forme, il obstrue le capillaire, et la hauteur du changement de couleur du jaune au blanc est lue sur une échelle calibrée imprimée sur la bandelette. La lecture est convertie en concentration de chlorures à l’aide d’un tableau de calibration fourni par le fabricant (Hach Company).

La méthode Quantab offre des avantages significatifs pour le criblage sur le terrain : elle est simple à réaliser, ne nécessite ni électricité ni équipement sophistiqué, produit des résultats en 15 à 45 minutes et a une précision certifiée par le fabricant de ±10 % de la valeur mesurée. Elle est largement utilisée par les DOT des États pour le criblage rapide des chlorures des tabliers de pont afin d’identifier les zones nécessitant des tests de laboratoire plus détaillés. Cependant, la méthode est moins précise que le titrage potentiométrique, en particulier à de très faibles concentrations de chlorures proches de la limite de détection, et est susceptible aux interférences des ions bromure ou iodure s’ils sont présents. Elle convient au criblage mais pas pour l’acceptation finale ou les déterminations médico-légales où des limites réglementaires sont en jeu.

Spectrométrie de fluorescence X (XRF)

La spectrométrie de fluorescence X est une méthode instrumentale avancée qui offre le potentiel d’une analyse rapide et non destructive des chlorures en laboratoire comme sur le terrain. La technique consiste à irradier un échantillon avec des rayons X de haute énergie, ce qui provoque l’émission par les atomes de l’échantillon de rayons X secondaires (fluorescents) à des énergies caractéristiques pour chaque élément. En mesurant l’intensité de la raie de fluorescence Kα du chlore à 2,62 keV, la concentration en chlorures dans l’échantillon peut être quantifiée.

Les analyseurs XRF portables (hXRF), tels que l’Olympus Innov-X Delta ou le Bruker S1 Titan, ont été calibrés pour la quantification des chlorures dans les matériaux à base de ciment. Une étude de Chinchón-Payá et al. (2021) publiée dans Materials a démontré que le hXRF peut quantifier avec précision les ions chlorure dans le béton avec un facteur de correction de 1,16 lorsqu’il est calibré par rapport aux résultats de titrage potentiométrique. La méthode hXRF peut être appliquée directement sur les surfaces en béton in situ ou sur des échantillons en poudre en laboratoire. Pour les mesures in situ, le hXRF est placé contre une surface de béton meulée, et une mesure de 60 à 120 secondes fournit un spectre élémentaire à partir duquel la concentration en chlorures est calculée. Pour les échantillons en poudre, l’échantillon est placé dans un porte-échantillon cylindrique et analysé sur une paillasse.

Les instruments Micro-XRF (μXRF) offrent la capacité supplémentaire de cartographier la distribution des chlorures sur une surface d’échantillon à une résolution spatiale millimétrique ou submillimétrique. Cette technique, décrite dans des recherches de Malvern Panalytical et Bruker, permet la visualisation des fronts de pénétration des chlorures, la détection de points chauds localisés de chlorures près des fissures ou des défauts, et la corrélation de la distribution des chlorures avec les particules de granulats et les vides d’air. La technique fournit des informations que les méthodes de titrage en masse ne peuvent pas révéler. Cependant, le hXRF et le μXRF nécessitent tous deux un étalonnage minutieux à l’aide d’étalons adaptés à la matrice, et la limite de détection pour le chlore (environ 0,01 à 0,02 % en masse) est plus élevée que pour les méthodes de titrage.

Comparaison des méthodes d’essai

Profil de chlorures (Concentration en fonction de la profondeur)

Un profil de chlorures est une représentation graphique de la concentration en chlorures tracée en fonction de la profondeur depuis la surface du béton. C’est le résultat le plus informatif des tests de chlorures car il révèle non seulement si les chlorures ont atteint les armatures à une concentration supérieure au seuil, mais aussi la vitesse à laquelle les chlorures pénètrent le béton, la condition d’exposition de surface et la résistance du béton à l’entrée des chlorures.

Le profil est construit en analysant la teneur en chlorures à chaque incrément de profondeur discret, typiquement six à huit incréments sur les 2 à 3 pouces (50–75 mm) supérieurs du béton. Les points de données sont tracés avec la concentration en chlorures (en % de la masse du matériau cimentaire, % de la masse du béton ou kg/m³) sur l’axe des y en fonction de la profondeur depuis la surface (en mm ou pouces) sur l’axe des x. La forme caractéristique d’un profil de chlorures dans un béton sain montre la concentration la plus élevée en surface (typiquement 0,3 à 1,0 % de la masse du béton pour les tabliers de pont exposés aux sels de déverglaçage) et une concentration décroissante avec l’augmentation de la profondeur, s’approchant asymptotiquement du niveau de fond de chlorures aux profondeurs au-delà du front de pénétration.

La deuxième loi de diffusion de Fick est le modèle de transport fondamental utilisé pour interpréter les profils de chlorures :

∂C/∂t = D × (∂²C/∂x²)

où C est la concentration en chlorures à la profondeur x et au temps t, et D est le coefficient de diffusion. La solution de cette équation pour des conditions d’état stationnaire avec une concentration de surface constante et un milieu semi-infini est :

C(x,t) = C₀ × erfc[x / (2 × √(Dₐ × t))]

où C(x,t) est la concentration en chlorures à la profondeur x et au temps t, C₀ est la concentration en chlorures en surface, erfc est la fonction d’erreur complémentaire, Dₐ est le coefficient de diffusion apparent des chlorures, et t est le temps d’exposition. Une analyse de régression non linéaire est effectuée sur les données du profil mesuré pour résoudre C₀ et Dₐ.

Le coefficient de diffusion apparent des chlorures (Dₐ) est un paramètre de durabilité clé. Il décrit la vitesse à laquelle les ions chlorure se déplacent à travers le béton d’enrobage par diffusion sous le gradient de concentration dominant. Les valeurs typiques de Dₐ pour le béton de tablier de pont vont de 1 × 10⁻¹² m²/s pour un béton de haute qualité à faible rapport eau/liant à 1 × 10⁻¹¹ m²/s pour un béton plus perméable. Le coefficient de diffusion n’est pas une constante matérielle véritable, il diminue avec le temps à mesure que l’hydratation continue affine la structure poreuse, un effet capturé par le facteur de vieillissement (m) dans les modèles de durée de vie tels que Life-365 et STADIUM.

La concentration en chlorures en surface (C₀) n’est pas la concentration réelle à la surface immédiate mais plutôt la concentration en surface rétro-calculée à partir de l’ajustement de la régression. Elle varie typiquement de 0,3 % à 1,5 % de la masse du béton pour les tabliers de pont dans les environnements de sels de déverglaçage, selon la sévérité de l’exposition, la fréquence d’application du sel et les conditions de drainage. C₀ augmente avec le temps à mesure que les chlorures s’accumulent à partir d’applications répétées.

Un profil de chlorures bien construit permet à l’ingénieur de déterminer trois paramètres critiques pour l’évaluation du risque de corrosion : la concentration en chlorures à la profondeur des armatures, obtenue par interpolation du profil à la profondeur d’enrobage mesurée, la profondeur critique, la profondeur à laquelle la concentration en chlorures est égale au seuil de corrosion, en dessous de laquelle le béton est encore exempt de chlorures, et le temps jusqu’à l’initiation de la corrosion, estimé en résolvant la deuxième loi de Fick en utilisant le Dₐ mesuré, C₀, la profondeur d’enrobage et le seuil de corrosion supposé.

Interprétation et risque de corrosion

L’interprétation des données de teneur en chlorures suit un cadre décisionnel structuré qui intègre le profil de chlorures avec d’autres données d’évaluation de l’état, la profondeur d’enrobage du béton, la cartographie du potentiel de demi-cellule, les mesures de vitesse de corrosion, la résistivité du béton et l’inspection visuelle. L’objectif est de répondre à quatre questions : La corrosion se produit-elle actuellement ? Quelle est sa sévérité ? Va-t-elle continuer ou s’accélérer ? Et quelle intervention, le cas échéant, est nécessaire ?

La première interprétation est une comparaison directe de la concentration en chlorures mesurée à la profondeur des armatures avec le seuil de corrosion applicable. Si la concentration en chlorures à la profondeur des armatures dépasse le seuil, une corrosion active est probable à condition que l’oxygène et l’humidité soient également disponibles à la cathode. Si la concentration est inférieure au seuil, l’initiation de la corrosion est peu probable à l’heure actuelle, mais le temps restant jusqu’à l’initiation doit être estimé à partir des paramètres de diffusion.

La deuxième interprétation utilise le profil complet de chlorures pour estimer la vitesse d’entrée des chlorures. Un profil montrant un gradient de concentration abrupt (concentration de surface élevée, faible chlorure en profondeur) avec un front de pénétration bien défini indique un béton avec une bonne résistance à l’entrée des chlorures, où la diffusion est lente et la durée de vie contre la corrosion induite par les chlorures devrait être longue. Un profil montrant un gradient plat avec des chlorures significatifs à toutes les profondeurs indique soit un béton hautement perméable (Dₐ élevé), soit une longue période d’exposition où les chlorures ont eu le temps de pénétrer profondément. La forme du profil révèle également si le béton est dans le régime dominé par la diffusion (le profil suit la fonction erfc de manière lisse) ou si des mécanismes de transport supplémentaires tels que la suction capillaire, l’effet de mèche ou l’écoulement sous pression sont actifs (indiqués par des anomalies du profil ou des changements brusques de pente).

La troisième interprétation intègre les données de chlorures avec des mesures électrochimiques. La cartographie du potentiel de demi-cellule (ASTM C876) identifie les zones où le potentiel de corrosion de l’acier est plus négatif que -350 mV par rapport à Cu/CuSO₄, indiquant une probabilité élevée de corrosion active. La mesure de la vitesse de corrosion (résistance de polarisation linéaire ou techniques d’impulsion galvanostatique) quantifie le taux de perte de métal en μm/an ou mA/m², distinguant la corrosion active de la passivité. La résistivité du béton (méthode des quatre pointes de Wenner) identifie les zones où le béton est suffisamment conducteur pour supporter le courant de corrosion, une faible résistivité (< 20 kΩ·cm) favorise des vitesses de corrosion élevées, tandis qu’une résistivité élevée (> 100 kΩ·cm) limite la corrosion même si des chlorures sont présents. Lorsqu’une concentration élevée de chlorures à la profondeur des armatures est trouvée à un endroit avec un potentiel de corrosion plus négatif que -350 mV et une vitesse de corrosion supérieure à 0,1 μm/an, la corrosion active est confirmée et une intervention de réparation est indiquée.

Chlorure à la profondeur des armatures

La concentration en chlorures à la profondeur des armatures est le paramètre le plus important pour l’évaluation du risque de corrosion car il représente la condition chimique réelle à la surface de l’acier où l’initiation de la corrosion se produit. Cette valeur n’est pas mesurée directement, les armatures ne sont jamais exposées pour l’échantillonnage, mais est déterminée par interpolation du profil de chlorures à la profondeur d’enrobage mesurée.

La profondeur d’enrobage du béton est mesurée par un appareil de mesure d’enrobage (pachomètre) qui utilise l’induction électromagnétique pour localiser les armatures et mesurer la profondeur du béton au-dessus des barres. Dans les tabliers de pont, les profondeurs d’enrobage typiques vont de 1,5 à 3,0 pouces (38–75 mm) selon les spécifications de conception d’origine et les tolérances de construction. Les spécifications de conception des ponts AASHTO LRFD exigent un enrobage minimal de 2,5 pouces pour les tabliers de pont dans les environnements corrosifs. Cependant, l’enrobage réel varie souvent considérablement par rapport aux valeurs de conception en raison des tolérances de construction, des erreurs de positionnement des barres et des irrégularités de la surface du béton. Pour cette raison, l’enrobage doit être mesuré à chaque emplacement d’échantillonnage des chlorures, et non tiré des plans de conception.

L’interpolation de la concentration en chlorures à la profondeur des armatures est effectuée en ajustant une courbe de régression (typiquement le modèle de diffusion fickien ou une fonction polynomiale) aux données du profil mesuré et en évaluant la fonction ajustée à la profondeur d’enrobage. Par exemple, si la profondeur d’enrobage est de 2,0 pouces et que les données du profil de chlorures sont disponibles à des profondeurs de 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 et 2,5 pouces, la concentration en chlorures à 2,0 pouces est lue directement. Si la profondeur d’enrobage se situe entre deux incréments mesurés, une interpolation linéaire entre les deux points limites est utilisée.

Lorsque la concentration en chlorures à la profondeur des armatures dépasse le seuil, le processus de corrosion peut déjà être actif ou peut s’initier dans un avenir proche en fonction de la vitesse d’entrée supplémentaire des chlorures et des conditions d’humidité. Le temps entre le dépassement du seuil et les dommages visibles (fissuration, éclatement) dépend de la vitesse de corrosion, qui dépend à son tour de la disponibilité de l’oxygène, de l’humidité et de la conductivité ionique. Cette phase de propagation de la corrosion peut aller de 5 à 20 ans pour des conditions typiques de tablier de pont. Pour les structures précontraintes ou post-contraintes, la phase de propagation peut être beaucoup plus courte car la contrainte de traction élevée accélère la croissance des fissures une fois que les piqûres de corrosion se forment.

Test de chlorures dans les tabliers de pont

Les tabliers de pont sont le composant d’infrastructure le plus couramment soumis à des tests de routine de la teneur en chlorures car ils sont directement exposés aux sels de déverglaçage appliqués lors des opérations d’entretien hivernal. Aux États-Unis, plus de 60 millions de tonnes métriques de sel de déverglaçage (principalement du chlorure de sodium) sont appliquées chaque année sur les routes. Une partie importante de ce sel se dissout dans l’eau de ruissellement, éclabousse les tabliers de pont et pénètre la surface du béton à travers la microstructure poreuse du tablier et par les fissures. Sur une durée de vie typique de tablier de pont de 40 à 75 ans, les concentrations de chlorures à la profondeur des armatures peuvent atteindre plusieurs fois le seuil de corrosion, conduisant à une détérioration généralisée induite par la corrosion qui représente le coût d’entretien le plus élevé pour les agences routières.

Le programme FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) a développé des protocoles standardisés pour les tests de chlorures des tabliers de pont, codifiés dans le protocole FLD-DC-MS-004 (Sampling and Testing for Chloride Profiles). Le protocole spécifie : un diamètre de carotte de 2,5 pouces, six incréments de profondeur de 0,5 pouce chacun de la surface à 3,0 pouces, l’incrément de surface (0,25–0,75 pouce) utilisé comme concentration de chlorure motrice C₀ pour les calculs de diffusion, une analyse selon AASHTO T260 Procédure A, et un titrage des échantillons dans l’ordre de concentration en chlorures anticipée croissante (du plus profond au moins profond) pour minimiser la contamination croisée.

Les DOT des États ont développé des directives supplémentaires pour les tests de chlorures des tabliers de pont. La pratique standard Idaho IR-128 exige un minimum d’un emplacement d’échantillonnage par 1 000 pieds carrés avec un minimum de trois emplacements par tablier, les échantillons étant concentrés aux lignes de trottoir et du côté inférieur des tabliers surélevés. Le protocole met l’accent sur le nettoyage de la zone d’échantillonnage, la scarification de la surface avant le premier incrément de profondeur et le nettoyage de tout l’équipement entre les incréments avec du 2-propanol.

Le Florida DOT spécifie une teneur maximale admissible en chlorures de 0,40 lb/yd³ (0,24 kg/m³) pour le béton de tablier de pont neuf, ce qui équivaut à environ 0,067 % de la masse du ciment en supposant 600 lb de ciment par yard cube. Cette limite est cohérente avec la limite AASHTO de 0,08 % de chlorure total par rapport à la masse du matériau cimentaire pour le béton précontraint.

Les tests de chlorures des tabliers de pont sont les plus précieux lorsqu’ils sont combinés avec la cartographie du potentiel de demi-cellule et les relevés de délaminage par chaîne traînante. La combinaison de ces trois méthodes d’évaluation de l’état fournit une évaluation complète du risque de corrosion : le test de chlorures identifie la condition chimique (chlorures disponibles pour initier la corrosion), le potentiel de demi-cellule identifie la condition électrochimique (la corrosion se produit-elle actuellement ?), et la chaîne traînante identifie la conséquence physique (la corrosion a-t-elle produit un délaminage ?). Lorsque les trois indicateurs sont positifs au même endroit, une corrosion active avec dommages structurels est confirmée et la réparation est urgente.

Normes (ASTM C1152, C1218, AASHTO T260)

Les tests de teneur en chlorures du béton sont régis par un ensemble de normes nationales et internationales qui définissent les procédures d’échantillonnage, les méthodes analytiques, les calculs et les exigences de rapport. Les trois principales normes en Amérique du Nord sont décrites ci-dessous.

ASTM C1152, Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete. Cette méthode d’essai couvre la détermination des chlorures totaux (chlorures solubles dans l’acide) dans le mortier et le béton durcis. Un échantillon en poudre passant un tamis de 850 μm (No. 20) est digéré dans de l’acide nitrique chaud (HNO₃ à environ 20 % de concentration) pendant au moins 30 minutes. La digestion acide à chaud assure une dissolution complète de toutes les phases contenant des chlorures, y compris le sel de Friedel et tout chlorure lié dans les produits d’hydratation. La solution est filtrée, et le filtrat est titré potentiométriquement avec une solution standard de nitrate d’argent (AgNO₃ 0,05 N ou 0,1 N). Le résultat est calculé en pourcentage de chlorure en masse d’échantillon, et peut être converti en pourcentage de la masse du matériau cimentaire si la teneur en ciment du béton est connue. La précision de la méthode, basée sur des essais interlaboratoires, a un coefficient de variation multilaboratoire d’environ 6,5 % à une teneur en chlorures de 0,10 % en masse.

ASTM C1218, Standard Test Method for Water-Soluble Chloride in Mortar and Concrete. Cette méthode d’essai couvre la détermination des chlorures libres (chlorures solubles dans l’eau) dans le mortier et le béton durcis. Un échantillon en poudre est bouilli dans de l’eau distillée pendant cinq minutes, puis on le laisse reposer pendant 24 heures à température ambiante. L’extraction à l’eau ne dissout que le chlorure présent dans la solution porale, la fraction immédiatement disponible pour participer à la corrosion. L’extrait est filtré et titré potentiométriquement avec du nitrate d’argent standard. La teneur en chlorures solubles dans l’eau est typiquement de 70 à 80 % de la teneur en chlorures solubles dans l’acide, bien que ce rapport varie avec le type de ciment et la capacité de liaison des chlorures. ASTM C1218 est moins couramment spécifiée pour les investigations médico-légales car l’extraction à l’eau est plus sensible à la manipulation de l’échantillon, aux conditions d’extraction et aux procédures de filtration.

AASHTO T260, Sampling and Testing for Chloride Ion in Concrete and Concrete Raw Materials. C’est la principale norme régissant à la fois les procédures d’échantillonnage et de test dans l’industrie routière américaine. AASHTO T260 est référencée par pratiquement toutes les spécifications des DOT des États pour les tests de chlorures des tabliers de pont. La norme inclut : la Procédure A, titrage potentiométrique (essentiellement équivalent à ASTM C1152 pour la détermination des chlorures solubles dans l’acide), la Procédure B, spectrophotométrie d’absorption atomique, qui est encore reconnue comme une méthode valide bien que moins couramment utilisée par les laboratoires commerciaux, des procédures détaillées pour l’échantillonnage, y compris le perçage, le contrôle de la profondeur, la collecte de l’échantillon et la prévention de la contamination croisée, des méthodes de calcul pour exprimer les résultats en pourcentage de la masse de l’échantillon, en pourcentage de la masse du matériau cimentaire ou en kg/m³, des exigences de contrôle qualité incluant des analyses en double et des corrections de blanc, et des exigences de rapport incluant l’identification de l’échantillon, les incréments de profondeur et les données d’assurance qualité du laboratoire.

Les spécifications de construction des ponts AASHTO LRFD (Section 10, Table 10.9.3.2) limitent le chlorure total dans le coulis à 0,08 % de la masse du matériau cimentaire, en référence à AASHTO T260 et ASTM C1152 pour la vérification.

Les normes internationales pertinentes pour les tests de chlorures incluent : BS EN 14629:2007, Products and Systems for the Protection and Repair of Concrete Structures, Test Methods, Determination of Chloride Content in Hardened Concrete, la principale norme européenne pour le profilage des chlorures, NT BUILD 443, Concrete Hardened: Accelerated Chloride Penetration, utilisée pour déterminer le coefficient de diffusion des chlorures par immersion dans une solution de chlorure de sodium, et ISO 1920-11, Testing of Concrete, Part 11: Determination of the Chloride Resistance of Concrete, Unidirectional Diffusion, une norme internationale plus récente pour les tests de diffusion des chlorures.

Chlorures et décisions de maintenance

Les données de teneur en chlorures informent directement les décisions de maintenance et de réparation des infrastructures à plusieurs niveaux. La relation entre les niveaux de chlorures mesurés et le moment, l’étendue et le type d’intervention de réparation suit une progression logique du criblage à l’investigation détaillée en passant par la conception de la réparation.

Niveau 1, Criblage : Au niveau du réseau, un criblage rapide à l’aide de bandelettes Quantab ou de XRF portable à un nombre limité d’emplacements identifie les tabliers ou les sections de chaussée avec des niveaux de chlorures supérieurs au bruit de fond. Ce criblage priorise les structures pour une investigation détaillée. Par exemple, un DOT d’État pourrait tester cinq emplacements par tablier de pont lors d’une inspection bisannuelle et signaler tout tablier où le chlorure à la profondeur des armatures dépasse 0,02 % de la masse du béton (la moitié du seuil) pour un suivi détaillé. Ce criblage complète l’inspection visuelle de routine et les relevés de chaîne traînante.

Niveau 2, Investigation détaillée : Les structures identifiées lors de la phase de criblage subissent un profilage complet des chlorures à une densité d’échantillonnage plus élevée (un emplacement par 500 à 1 000 pieds carrés). Les profils sont utilisés pour calculer Dₐ et C₀ pour une entrée dans des modèles de durée de vie tels que Life-365, STADIUM ou le Chloride Exposure Duration Model de la FHWA. Les modèles estiment la durée de vie résiduelle, le temps jusqu’à ce que la concentration en chlorures à la profondeur des armatures atteigne le seuil, qui définit la fenêtre de temps pour la maintenance préventive.

Niveau 3, Conception de la réparation : Au niveau du projet, les profils de chlorures définissent la profondeur d’enlèvement pour la réparation du béton. Si les chlorures n’ont pénétré que le pouce extérieur de l’enrobage, un rapiéçage partiel qui enlève le béton contaminé par les chlorures et le remplace par un mortier de réparation à faible perméabilité est suffisant. Si les chlorures ont pénétré jusqu’aux armatures à des concentrations supérieures au seuil sur une vaste zone, un remplacement complet de la dalle ou l’application d’une extraction électrochimique des chlorures (ECE) peut être nécessaire. Les ACI 222R et ACI 364.1R fournissent des conseils sur la spécification des profondeurs d’enlèvement basées sur les profils de chlorures.

Niveau 4, Stratégies préventives : Pour les structures où les profils de chlorures indiquent que le seuil de corrosion n’a pas encore été atteint mais le sera dans la fenêtre de durée de vie (typiquement 10 à 20 ans), les stratégies de maintenance préventive sont prioritaires. Celles-ci incluent l’application de produits d’imprégnation pénétrants (silanes, siloxanes) qui réduisent l’entrée d’eau et de chlorures, l’installation de systèmes de protection cathodique (galvanique ou à courant imposé) qui polarisent les armatures pour empêcher la corrosion, et l’extraction électrochimique des chlorures (ECE) qui applique un champ électrique temporaire pour éloigner les ions chlorure des armatures et les faire sortir du béton.

Les implications financières des décisions de maintenance éclairées par les chlorures sont substantielles. Une stratégie préventive appliquée avant l’initiation de la corrosion (par exemple, application d’un produit d’imprégnation à un coût de 3 à 8 $/pi²) peut prolonger la durée de vie du tablier de pont de 10 à 15 ans pour une fraction du coût d’une réparation réactive (rapiéçage partiel à 50–150 $/pi² ou remplacement complet à 200–500 $/pi²). La justification économique des tests de chlorures de routine est convaincante : chaque dollar dépensé pour les tests de chlorures soutient une décision de maintenance qui peut économiser 10 à 50 $ en coûts de réparation différés ou évités.

Assurance qualité et dépannage

La fiabilité des données de teneur en chlorures dépend d’une assurance qualité rigoureuse tout au long de la chaîne d’échantillonnage, de manutention et d’analyse. Les sources d’erreur courantes et leur atténuation sont :

Contamination croisée entre les incréments de profondeur : La source d’erreur la plus fréquente et la plus significative dans le profilage des chlorures. Lors du perçage des incréments peu profonds aux profonds, la poudre de l’incrément de profondeur précédent qui reste sur le foret, dans les trous ou dans les outils d’échantillonnage contamine l’incrément suivant, plus profond. Cela produit une lecture artificiellement élevée en profondeur. L’atténuation nécessite un nettoyage approfondi de tous les outils entre les incréments avec du 2-propanol et l’élimination complète de la poudre libre des trous à l’air comprimé.

Contamination de surface : La surface du béton est typiquement fortement contaminée par du sel de déverglaçage, de la saleté et des débris qui ne reflètent pas la teneur en chlorures du béton lui-même. La scarification obligatoire de la surface sur ¼ de pouce avant de collecter le premier incrément de profondeur élimine cette contamination. Sans scarification, la lecture de l’incrément de surface peut être 2 à 5 fois plus élevée que la véritable teneur en chlorures du béton.

Taille d’échantillon insuffisante : Chaque incrément de profondeur doit fournir au moins 10 à 15 grammes de poudre pour une analyse fiable. Des trous simples de 1 pouce de diamètre ne produisent pas suffisamment de poudre, trois trous par incrément de profondeur sont nécessaires. Pour les échantillons de carottes, le diamètre de la carotte doit être au moins trois fois la dimension nominale maximale du granulat pour fournir un échantillon représentatif.

Condition d’humidité des échantillons : Les échantillons humides produisent des concentrations de chlorures inexactes car l’eau dilue la base de masse de l’échantillon. Les échantillons doivent être séchés dans une étuve à 105 °C avant la pesée et l’analyse. Le protocole FHWA LTBP spécifie que les échantillons de poudre de béton doivent être séchés à masse constante avant analyse.

Interférence de la matrice : Certains constituants du béton peuvent interférer avec l’analyse des chlorures. Les ions sulfure (provenant de certains granulats ou de laitier de haut-fourneau moulu) peuvent réagir avec le nitrate d’argent, provoquant une erreur de titrage. Les ions bromure et iodure produisent la même réaction de précipitation que le chlorure. Ces interférences sont traitées en utilisant un titrage potentiométrique qui différencie les points finaux par le potentiel, ou en incluant une étape de prétraitement telle que l’ajout de peroxyde d’hydrogène pour oxyder les sulfures.

Corrections de blanc : Toutes les procédures de titrage nécessitent une détermination à blanc utilisant les mêmes réactifs et la même procédure mais sans l’échantillon de béton. La valeur du blanc, qui représente le chlorure apporté par les réactifs eux-mêmes, est soustraite de la lecture de l’échantillon. Les valeurs de blanc doivent être inférieures à 0,005 % de chlorure en masse d’échantillon équivalent. Des blancs plus élevés indiquent une contamination des réactifs.

Accréditation du laboratoire : Les laboratoires réputés d’analyse des chlorures détiennent une accréditation selon ISO/IEC 17025 (Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais) et participent à des programmes de tests de compétence tels que ceux administrés par le Cement and Concrete Reference Laboratory (CCRL) ou AASHTO re:source. Le Florida DOT, par exemple, exige que les laboratoires commerciaux fournissant des services de test de chlorures soient accrédités par le Construction Materials Engineering Council (CMEC) pour les méthodes d’essai ASTM ou AASHTO spécifiques.

Relation avec les autres méthodes d’évaluation de l’état

Le test de teneur en chlorures est un composant d’une évaluation complète de l’état de corrosion qui inclut typiquement plusieurs méthodes complémentaires. La relation entre le test de chlorures et les autres méthodes d’évaluation est :

Le potentiel de demi-cellule (ASTM C876) mesure le potentiel de corrosion des armatures en acier par rapport à une électrode de référence (typiquement cuivre-sulfate de cuivre). Un potentiel plus négatif que -350 mV indique une probabilité supérieure à 90 % de corrosion active. Cependant, le potentiel de demi-cellule seul ne peut pas distinguer la corrosion causée par les chlorures de celle due à la carbonatation, et il ne fournit aucune information sur la vitesse ou l’étendue des dommages par corrosion. Le test de chlorures ajoute la dimension de la cause : si une concentration élevée de chlorures coïncide avec des potentiels négatifs, la corrosion induite par les chlorures est confirmée.

La résistance de polarisation linéaire (LPR) et les méthodes d’impulsion galvanostatique mesurent la densité de courant de corrosion (i_corr) en μA/cm², qui peut être convertie en taux de perte de métal en μm/an à l’aide de la loi de Faraday. Les vitesses de corrosion inférieures à 0,1 μA/cm² indiquent la passivité, les vitesses de 0,1 à 0,5 μA/cm² indiquent une corrosion modérée, les vitesses de 0,5 à 1,0 μA/cm² indiquent une corrosion élevée, et les vitesses supérieures à 1,0 μA/cm² indiquent une corrosion très élevée. Le test de chlorures fournit la pré-condition expliquant pourquoi l’acier se corrode.

La résistivité du béton (méthode des quatre pointes de Wenner, AASHTO T358) mesure la résistance électrique du béton en kΩ·cm. Une faible résistivité (< 20 kΩ·cm) favorise des vitesses de corrosion élevées en facilitant le flux de courant ionique entre les sites anodiques et cathodiques. Une résistivité élevée (> 100 kΩ·cm) supprime la corrosion même lorsque suffisamment de chlorures sont présents. Le test de chlorures combiné aux mesures de résistivité identifie les emplacements où la force motrice thermodynamique (chlorures) et la voie cinétique (électrolyte conducteur) sont toutes deux présentes pour une corrosion active, les emplacements les plus critiques nécessitant une réparation urgente.

L’examen pétrographique (ASTM C856) de lames minces de béton peut identifier les produits de corrosion (rouille), la microfissuration autour des armatures, les dépôts secondaires (calcite, ettringite) et les preuves de dommages par gel-dégel qui peuvent agir en synergie avec la corrosion induite par les chlorures. La pétrographie fournit une confirmation visuelle des mécanismes de dommages déduits des données de chlorures.

La mesure de la profondeur d’enrobage avec un appareil de mesure d’enrobage (ASTM C876 ou BS 1881-204) fournit le lien essentiel entre les profils de chlorures et l’emplacement des armatures. Sans une profondeur d’enrobage précise, la concentration en chlorures à la surface de l’acier ne peut pas être déterminée, et l’évaluation du risque de corrosion est incomplète. La profondeur d’enrobage doit être mesurée à chaque emplacement d’échantillonnage des chlorures et à une grille de points sur la structure pour documenter la distribution statistique des profondeurs d’enrobage.

L’intégration de ces méthodes (profils de chlorures, potentiel de demi-cellule, vitesse de corrosion, résistivité, profondeur d’enrobage et pétrographie) fournit une image complète de l’état de corrosion : la cause (chlorures ou carbonatation), la probabilité (le seuil est-il dépassé ?), l’activité (la corrosion se produit-elle ?), la vitesse (à quelle vitesse le métal est-il consommé ?) et la conséquence (quels dommages se sont déjà produits ?). Cette évaluation complète conduit à des décisions de réparation rationnelles et rentables qui prolongent la durée de vie des infrastructures tout en optimisant les dépenses de maintenance.