Carbonatation

Introduction:
Carbonatation du béton:
La carbonatation du béton est un vieillissement naturel du béton. Elle est responsable de la
dégradation des bétons armés et précontraints par leur éclatement et la mise à nu de leurs
armatures en acier.
La réaction chimique de carbonatation, associée à un phénomène de retrait dit « retrait de

carbonatation »1 entraîne des problèmes de durabilité puis de résistance sur les structures en
béton armé. Elle neutralise le milieu, la consommation des ions hydroxyles faisant baisser le pH
de 12 à 8, ce qui initie une dépassivation des barres d'acier, censées garantir cette résistance.
Celles-ci gonflent sous l'effet de la corrosion et font éclater le béton d'enrobage, qui subit en
plus un retrait dû à la carbonatation. Les aciers sont alors mis à nu et la vitesse de corrosion est
alors plus importante.
Si la carbonatation est une source de dégradation du béton armé lorsqu'elle atteint la zone
d'enrobage des armatures (notamment celle proches de la surface des parois au niveau des
arêtes des bâtiments), ce phénomène de vieillissement naturel n'est en général pas nocif2 et
peut même être bénéfique pour le béton car la formation de carbonate de calcium colmate
partiellement la porosité de ce matériau, le rendant « moins perméable aux agents agressifs (en
l’occurrence les gaz CO2 et O2, mais aussi les ions sulfates, les chlorures, et plus généralement,
les eaux agressives de type eau de mer, eaux séléniteuses ou magnésiennes, etc.)3 ».
Mécanisme de la carbonatation:
Lors de la fabrication du béton, la quantité d'eau introduite pour l'hydratation de son ciment
est toujours supérieure à la quantité stœchiométrique nécessaire. De ce fait, le ciment hydraté
est toujours un milieu poreux dont les pores sont d'abord remplis d'eau qui se chargent en ions
pour respecter l'équilibre chimique avec les hydrates du ciment (portlandite, CSH, AFt, AFm...).
Lorsque le matériau cimentaire sèche à l'air libre, il se désature en eau et les pores se
remplissent partiellement d'air.
Le CO2 naturellement présent dans l'atmosphère est alors susceptible de diffuser à travers la
phase gazeuse du ciment4. La diffusion dans la phase liquide est négligeable. On constate que
les ciments totalement saturés en eau ne se carbonatent que sur leur couche limite du fait d'un
colmatage immédiat des pores par formation de calcite.
Le CO2 présent dans la phase gazeuse des pores se dissout dans la solution interstitielle pour
former des ions carbonates qui réagissent principalement avec les ions calcium Ca2+.
L'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) formé durant le durcissement du béton par l’hydratation des
silicates de calcium bi- et tricalciques (SiO2, 2CaO) et (SiO2, 3CaO) et le dioxyde de carbone
(CO2) créent du carbonate de calcium (CaCO3)5.
La modification de l'équilibre chimique entre les hydrates de la matrice cimentaire et la solution

interstitielle entraîne une dissolution des hydrates. Le nouvel équilibre chimique correspond
alors à une solution bien plus acide qu'initialement. Le pH passe d'une valeur de 13 dans la zone
non carbonatée (permettant la passivation de l'acier) à une valeur inférieure à 9 dans la zone
dégradée. Lorsque la zone de carbonatation atteint les armatures en acier, la corrosion du
métal peut commencer en produisant notamment des espèces plus volumineuses que les
matériaux initialement présents6. Ceci explique l'éclatement du béton autour des armatures
corrodées. Toutefois, la carbonatation peut aussi augmenter l’imperméabilité du béton grâce
au colmatage de certains pores par les carbonates : l’absorption capillaire est réduite et la
résistance mécanique est meilleure7,8,9. Ce phénomène est généralement observé pour les
bétons utilisant du ciment Portland.
L’humidité relative de l’air joue un rôle important sur la vitesse de carbonatation10,11. Pour les
bétons courants, elle est maximale pour une humidité relative de l’ordre de 50-70 % et presque
nulle en atmosphère sèche ou saturée en eau12,5. La carbonatation est par conséquent plus
importante sur les surfaces protégées que sur celles exposées à la pluie13. Une importante
concentration en CO2 est également un facteur augmentant la vitesse de carbonatation11. La
cinétique de carbonatation, également impactée par la température14, est régie par la
concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des
réactifs. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une
température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité
rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.
La détermination de cette profondeur de carbonatation s’effectue sur une coupe fraîche de
béton. Après dépoussiérage, on pulvérise un colorant sensible au pH, la phénolphtaléine
(cancérigène/mutagène)15 ou encore la thymolphtaléine16,17. La phénolphtaléine vire au
rouge violacé au contact de matériaux dont le pH est supérieur à 9,2 et demeure incolore pour
les faibles valeurs de pH, c’est-à-dire pour les zones carbonatées.
humidité relative de l’air joue un rôle important sur la vitesse de carbonatation. Pour les bétons
courants, elle est maximale pour une humidité relative de l’ordre de 60 % et presque nulle en
atmosphère sèche ou saturée en eau. Une importante concentration en CO 2 est également un
facteur augmentant la vitesse de carbonatation. La cinétique de carbonatation, également
impactée par la température, est régie par la concurrence de l’effet thermique sur les transferts
hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées augmentent
avec la température jusqu’à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà
de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.
ANALYSE
Domaine d’application
Structures en béton armé (ouvrages d’art, bâtiments, etc.).
Objet
Évaluation de la profondeur de béton carbonaté d’un parement en béton à partir de mesures

effectuées sur des carottes.
Prélèvements
Les prélèvements se trouvent sous forme de carotte (diamètre environ 50 mm – profondeur

entre 50 mm et 100 mm) prélevées sur des structures en béton.
Pour le prélèvement :
 Localiser au préalable les armatures afin de ne pas carotter au droit de l’une d’entre
elles ;
 Ne pas prélever au droit d’une fissure ;
 Choisir la zone de prélèvement en prenant bien en compte la nature du béton et de
l’exposition de la zone vis-à-vis des variations de l’humidité ambiante (développement
de la carbonatation maximale dans un milieu d’hygrométrie relative) ;
 La longueur de la carotte doit au moins prendre en compte l’épaisseur d’enrobage des
armatures.
Caractère destructif de la méthode
Destructif
Méthodes de mesures et mesures
La mesure de la profondeur de carbonatation du béton s’effectue en laboratoire sur les

cassures fraîches des carottes prélevées sur l’ouvrage.
 Préparation de l’échantillon
Le test est réalisé sur une coupe du prélèvement. Pour ce faire, la carotte de béton est fendue
en deux dans le sens de l’épaisseur.
 Test de pH
Le test est réalisé à la phénol-phtaléine. La phénol-phtaléine est un réactif utilisé comme

indicateur de pH. La phénol-phtaléine est incolore à l’origine et vire au violet à partir d’un pH de
9,2.
Le réactif est appliqué sur toute la profondeur de la coupe de la carotte de béton.
Si le test met en évidence que la phénol-phtaléine vire au violet au contact du béton sur toute
la profondeur de la coupe ceci signifie que le béton est resté alcalin et n’est pas carbonaté sur
toute sa profondeur.
Si au contraire le test montre que sur une partie de la profondeur de la coupe le réactif est
resté incolore ceci signifie que sur la partie incolore le béton a perdu son alcalinité. On se situe
donc sur la partie de la carbonatation du béton.
Une mesure en mm ou cm détermine alors le front de carbonatation.
Conclusion:
Par cette méthode nous déterminons si le béton a gardé son alcalinité ou non et déterminons
ainsi la profondeur de béton carbonaté.

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Évaluation de la profondeur de béton carbonaté d’un parement en béton à partir de mesures

Les prélèvements se trouvent sous forme de carotte (diamètre environ 50 mm – profondeur

Caractère destructif de la méthode

Méthodes de mesures et mesures

La mesure de la profondeur de carbonatation du béton s’effectue en laboratoire sur les

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Le réactif est appliqué sur toute la profondeur de la coupe de la carotte de béton.

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