Qu'est-ce que l'attaque sulfatique sur le béton ?

L’attaque sulfatique est une réaction chimique entre les sulfates et la pâte de ciment du béton, qui forme des minéraux expansifs et fissure le béton. Le FHWA cite l’ettringite, le gypse et la thaumasite comme produits de la réaction. L’orthographe britannique est sulphate attack. Il s’agit du même processus.

Ce qui réagit

Les ions sulfate pénètrent dans l’eau interstitielle du béton, qu’ils viennent de l’extérieur ou de l’intérieur. La perméabilité du béton contrôle la vitesse de pénétration. Le FHWA décrit la réaction sous trois formes.

• L’ettringite est un sulfoaluminate de calcium. Elle se forme lorsque les sulfates réagissent avec les phases aluminates de la pâte. Le FHWA indique que l’ettringite cause l’essentiel des dégradations de l’attaque sulfatique. De nombreux chercheurs relient la résistance d’un ciment aux sulfates à sa teneur en aluminate tricalcique (C3A), car le C3A fixe la quantité d’ettringite qui peut se former.
• Le gypse se forme lorsque les sulfates se combinent au calcium. Son gonflement n’est pas forcément destructeur, mais le gypse a peu de pouvoir liant, si bien que le béton perd sa cohésion. Le FHWA cite un seuil : la corrosion par le gypse aggrave directement les dommages au-dessus de 1 000 ppm de sulfates, et elle compte peu tant que les sulfates ne dépassent pas 4 000 ppm.
• La thaumasite est un minéral proche de l’ettringite, avec de la silice à la place de l’alumine. Elle dépend des silicates de calcium hydratés (CSH) de la pâte, et non de la teneur en C3A. Un ciment à faible teneur en C3A ne la limite donc pas. Le FHWA indique qu’elle se forme plus facilement à basse température, et qu’on la confond souvent avec l’ettringite. Elle peut se poursuivre jusqu’à épuisement du liant.

Attaque externe et interne

Dans l’attaque sulfatique externe, des sulfates venus de l’extérieur du béton y pénètrent et réagissent avec les phases aluminates de la pâte. Le FHWA cite les eaux souterraines et les produits de déverglaçage comme exemples. Le sol est la source la plus courante. Les dommages dépendent de la source, de la concentration en sulfates, de la perméabilité du béton et de la composition de la pâte.

Le sel de déverglaçage est une deuxième voie. Le FHWA signale que le sel gemme courant peut n’être pur qu’à 92 pour cent. Les impuretés sont souvent du gypse et de l’anhydrite. Une étude a relevé jusqu’à 4 pour cent de sulfate de calcium dans le sel gemme naturel. Le FHWA appelle ces dommages la « deicer distress », c’est-à-dire la dégradation par les sels de déverglaçage.

L’attaque sulfatique interne prend les sulfates à l’intérieur du béton. Le FHWA en distingue trois formes :

• La formation différée d’ettringite (DEF) est de l’ettringite qui se forme dans le béton après son durcissement et l’acquisition de sa résistance. Les températures élevées pendant la cure précoce empêchent la formation correcte de l’ettringite primaire. Une fois le béton refroidi, les sulfates et les aluminates réagissent et forment de l’ettringite expansive. Le FHWA cite des travaux sur une température minimale de 65 à 80 °C, avec de nombreuses sources à 70 °C. Il indique que la cure à la vapeur est le lien habituel, et qu’il n’est pas certain que les chaussées coulées sur place atteignent ces températures.
• Les sulfates en excès proviennent de sulfates lentement solubles présents dans le clinker, les cendres volantes ou le granulat. Ils provoquent un gonflement de la pâte, comme l’attaque externe. Le FHWA indique qu’il est presque impossible de les distinguer de la DEF dans une chaussée.
• L’ettringite secondaire est de l’ettringite qui se dissout puis recristallise dans les vides et les fissures. La plupart des experts s’accordent à dire qu’elle ne génère pas assez de pression pour fracturer une pâte saine. Elle peut remplir les vides d’air, ce qui peut réduire la résistance au gel-dégel.

Comment la reconnaître

Le FHWA signale, pour les deux types, une fissuration fine près des joints et des bords de dalle, ou une fissuration en mailles sur toute la dalle. L’attaque externe apparaît en général en premier sous forme de fissuration près des joints et des bords de dalle, dans les quelques années suivant la construction. Dans les cas avancés, le FHWA indique que la pâte peut se transformer en poudre non cohésive. Le FHWA indique que, dans de nombreux ouvrages, l’attaque interne se présente sous forme de fissures en mailles rapprochées et serrées, avec des fissures plus larges à intervalles réguliers.

D’autres mécanismes donnent le même tableau. Le FHWA donne la même fissuration pour la réactivité alcali-silice (ASR) et la réactivité alcali-carbonate (ACR), si bien que la fissuration seule ne montre pas la cause. Le délai d’apparition aide un peu :

Une seconde note du FHWA (HIF-15-018) donne 1 à 5 ans pour l’attaque externe. Les plages se chevauchent, si bien que le délai ne tranche pas non plus la cause.

L’ettringite dans une carotte n’est pas une preuve. Le FHWA indique qu’on observe très souvent des dépôts d’ettringite dans les vides d’air et les fissures de béton dégradé. L’ettringite peut être le symptôme d’un mouvement d’eau, et non la cause des dommages. Le FHWA demande qu’un pétrographe découpe la carotte et détermine si l’ettringite a causé la fissuration ou si elle a comblé des fissures créées par un autre mécanisme. Le FHWA indique aussi que les carottes doivent couvrir toute l’épaisseur du béton. Il cite la norme ASTM C856 comme cadre de l’examen pétrographique. Au microscope, la DEF se traduit par des vides dans la pâte autour des grains de granulat, proportionnellement à la taille des grains.

Classes d’exposition de l’ACI 318

L’ACI 318-19 classe l’exposition aux sulfates en quatre classes, selon les sulfates solubles dans le sol ou dans l’eau. La valeur du sol est en pour cent en masse et provient de la norme ASTM C1580. La valeur de l’eau est en ppm et provient de la norme ASTM D516 ou ASTM D4130. L’eau de mer correspond à S1.

MS et HS désignent les types modérément et hautement résistants aux sulfates du ciment composé. S3 propose deux options. La première est 0,45 et 4 500 psi avec pouzzolane ou laitier. La seconde est 0,40 et 5 000 psi avec du type V seul. Un adjuvant au chlorure de calcium n’est pas autorisé en S2 et S3. Le ciment de type I ou de type III peut convenir en S1 si sa teneur en C3A est inférieure à 8 pour cent. Il peut convenir en S2 si sa teneur en C3A est inférieure à 5 pour cent.

Prévention

Le FHWA retient deux étapes. La première consiste à réduire la perméabilité du béton par un w/cm plus bas et par des ajouts cimentaires (SCM) admis. La seconde consiste à utiliser un système cimentaire qui résiste aux sulfates. Le FHWA cite le ciment portland de type II ou de type V, et le ciment composé modérément ou hautement résistant aux sulfates, avec ajout d’un ciment à la pouzzolane ou au laitier. Il cite aussi les cendres volantes de classe F et le laitier comme SCM efficaces. Le FHWA indique qu’un w/cm inférieur à 0,45 aide contre l’attaque externe.

Un mélange peut aussi faire la preuve de sa résistance par essai. L’ACI fixe des limites au gonflement du mortier dans l’essai ASTM C1012, qui expose le mortier à une solution de sulfates :

• S1 : 0,10 pour cent à 6 mois.
• S2 : 0,05 pour cent à 6 mois, ou 0,10 pour cent à 12 mois si la limite à 6 mois n’est pas atteinte.
• S3, option 1 : 0,10 pour cent à 18 mois.

Le tableau du FHWA permet aussi à un ciment de n’importe quel type de remplacer le type V en S2. Son gonflement à 14 jours selon la norme ASTM C452 ne doit pas dépasser 0,040 pour cent.

Chaussées aéroportuaires

Le FHWA indique que l’attaque sulfatique n’est pas un problème courant pour les chaussées. Elle préoccupe pour le béton en contact avec le sol dans de nombreuses régions de l’ouest des États-Unis. Si l’essai de sol indique une classe S1 à S3, une atténuation est requise.

L’AC 150/5320-6G de la FAA demande au concepteur de vérifier les sulfates solubles du sol et de l’eau de gâchage avant une stabilisation chimique à la chaux ou au ciment. Elle recommande la prudence au-delà de 3 000 ppm et la maîtrise du gonflement au-delà de 5 000 ppm. Les items de stabilisation de l’AC 150/5370-10H (P-154 à P-157) comportent le même avertissement. L’ingénieur vérifie les sulfates solubles pendant la conception, afin de voir si la stabilisation peut réagir et provoquer un soulèvement. L’item P-219 n’autorise pas de couche de base en granulats de béton recyclé dans les endroits à sol riche en sulfates (0,5 pour cent au maximum).

Pour la dalle elle-même, l’AC 150/5370-10H donne des indications dans l’item P-501. La teneur en matériaux cimentaires devrait être d’au moins 517 livres par verge cube lorsqu’une exposition sévère au gel-dégel, aux produits de déverglaçage ou aux sulfates est prévue. L’ingénieur précise un w/cm maximal de 0,45, ou une valeur plus basse pour l’exposition aux sulfates. Pour la couche de base en béton maigre (item P-306), elle demande un ciment de type II lorsque le granulat retenu a un historique de réaction aux sulfates.

Pour un inspecteur, l’attaque sulfatique est l’une des causes possibles de fissuration des joints et des surfaces en béton. Un relevé par drone localise la fissuration. La cause exige un essai de sulfates dans le sol ou l’eau et un examen de laboratoire d’une carotte.