Ciment: exothermie des réactions d'hydratation

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Ciment: exothermie des réactions d'hydratation

LERM INFOS :N° 11- juin 2008 - "Thermos..." : dossier technique

Sommaire

Retrait thermique

Réaction sulfatique interne (RSI)

Les réactions d'hydratation des ciments sont exothermiques, c'est à dire qu'elles s'accompagnent d'un dégagement de chaleur qui provoque une élévation de la température du béton qui elle-même accélère les réactions chimiques d'hydratation ; ces réactions sont dites thermoactivées. La quantité et la vitesse de dégagement de la chaleur varient notamment en fonction de la composition minéralogique et de la finesse du ciment. La température est également utilisée dans la préfabrication d'éléments en béton afin d'accélérer son durcissement et augmenter la cadence de production.

L'exothermie des réactions d'hydratation est à l'origine du retrait thermique intervenant aux jeunes âges, pouvant conduire, en l'absence de précautions, à une fissuration dans le cas du coulage d'éléments massifs.

Par ailleurs, un échauffement excessif du béton aux très jeunes âges, que ce soit du fait de l'exothermie naturelle ou d'un traitement thermique, peut aussi dans certains cas favoriser le développement de la réaction sulfatique interne et nuire sévèrement à la durabilité du béton. Ces deux phénomènes sont succinctement décrits et illustrés ci-après.

Retrait thermique

Dans des structures massives, le dégagement de chaleur induit une élévation de température pouvant être importante à cœur, jusqu'à 70°C voire plus. En effet, la dissipation de la chaleur dégagée est relativement lente à cause de la faible conductivité thermique du béton (de l'ordre de 2 W/m/K), alors que la peau du béton en contact avec l'atmosphère se refroidit plus rapidement.

Des gradients thermiques apparaissent alors et sont à l'origine de retraits thermiques différentiels qui génèrent des contraintes internes importantes. Le retrait du béton de peau, gêné par le béton à cœur comprimé, induit des contraintes de traction pouvant dépasser largement la résistance à la traction.

Pour une différence de température de 20 °C, et en considérant un coefficient de dilatation thermique moyen du béton égal à 10-5 °C-1, la déformation thermique est égale à 2 10-4. Cette valeur correspond approximativement à la déformation limite du béton en traction. Or, selon plusieurs mesures en laboratoire et sur chantiers, il est très courant d'observer une élévation de température de l'ordre de 40°C par rapport à la température ambiante à cœur d'éléments massifs.

Par conséquent, des fissures de retrait empêché et/ou une microfissuration de peau peuvent se créer à partir d'un écart de température de plus de 20°C entre la surface et le cœur d'un élément (Fig. 1 et 2).

Fig. 1 : Fissure thermique d'une pile massive

Fig. 2 : Microfissuration en peau d'une pièce massive en béton soumis à un gradient thermique Vue au microscope optique (éclairage UV) sur échantillon poli imprégné

La réalisation de pièces massives en béton exige donc des précautions afin d'éviter ou de limiter le développement d'une telle fissuration. Au niveau de la formulation du béton, le principal paramètre sur lequel il faut agir est le type de ciment, mais également son dosage (limité), en utilisant un ciment à très faible chaleur d'hydratation (VLH) spécifié par la norme NF EN 14216, délivrant moins de 250 J/g, ou des ciments contenant des additions minérales.

Le choix d'une formulation appropriée doit être associé à d'autres mesures permettant de minimiser le pic de température à cœur du béton (refroidissement des constituants…) et/ou permettant de réduire les gradients thermiques en phase de refroidissement (maintien plus longtemps des coffrages lorsqu'ils sont isolants…).

Réaction sulfatique interne (RSI)

Il s'agit d'une réaction qui peut se produire dans le béton durci sans apport externe en sulfates. Cette pathologie relativement récente a été mise en évidence sur des éléments en bétons dont la température aux jeunes âges a dépassé une valeur seuil fixée généralement à environ 65°C, soit au cours d'un cycle thermique de préfabrication, ou par l'effet de l'exothermie des réactions d'hydratation dans le cas des pièces massives en béton.

Dans le cas de l'utilisation d'une formule de béton inadaptée et après quelques années d'exposition à un environnement humide, apparaissent des désordres dont les symptômes sont similaires à ceux de l'alcali-réaction (fissurations et gonflement).Ces désordres sont liés à la formation d'ettringite différée.

L'ettringite peut être instable à des températures de l'ordre de 65°C-70°C auxquelles elle peut soit ne pas se former, ou se décomposer. Une part des ions SO42- résultant de la décomposition de l'ettringite est incluse dans les C-S-H. Lorsque le béton revient à la température ambiante, et en présence d'une humidité suffisante, l'ettringite se reforme dans la pâte de ciment durcie en milieu confiné où elle engendre des pressions de cristallisation à l'origine du gonflement de la pâte de ciment et à sa fissuration. Les figures suivantes 3 à 5 présentent des images MEB d'un béton atteint par la RSI à un stade très avancé.

Fig. 3 : Image MEB d'un béton atteint par la RSI.1 = ettringite massive dans la matrice, 2 = C S-H, 3 = ettringite dans une empreinte de granulat

Fig. 4 : Analyse EDS de l'ettringite (1)

Fig. 5 : Image MEB d'une section polie d'un béton atteint par la RSI 1 = ettringite palissadique aux interfaces pâte-granulat,

2 = Portlandite, 3 = hydrates

Il existe aujourd'hui des recommandations pour prévenir cette pathologie. Ces recommandations consistent en des dispositions liées à la conception et au dimensionnement des ouvrages, à la température maximale, ainsi qu'à la formulation du béton (ciment à faible teneur en SO3, en C3A et en alcalins). Il existe également un essai de performance permettant de qualifier la réactivité d'une formule de béton vis-à-vis de la RSI . De même, une démarche générale de diagnostic et les essais principaux sont décrits dans l'ouvrage GranDuBé.