Brevet FR2851243A1 — publié le 20040820

COMPOSITION DE MORTIER POUR UN OUVRAGE EN BETON ARME. ET PROCEDE DE REPARATION UTILISANT UN TEL MORTIER La présente invention concerne la protection des armatures contre la corrosion dans les ouvrages en béton armé. Les armatures métalliques noyées dans une masse de béton sont normalement protégées contre la corrosion par la pâte de ciment environnante. Cette protection est à la fois de type physique et chimique: - physique parce que le béton d'enrobage s'oppose à la diffusion des agents agressifs, tels que les chlorures, l'anhydride carbonique, 10 l'oxygène, etc. - chimique parce que le pH habituellement élevé du béton donne lieu à une couche protectrice à la surface des armatures. Cependant, cette protection naturelle peut être altérée par certains éléments agressifs, notamment les chlorures et l'anhydride carbonique, qui 15 peuvent pénétrer dans le béton d'enrobage par de micro-porosités. Des chlorures peuvent aussi être présents dans le béton au moment de son malaxage, par exemple parce que les granulats en sont contaminés ou parce que des adjuvants chlorures sont volontairement introduits. Ces chlorures peuvent aussi provenir du milieu extérieur (eau de mer, sels 20 deverglaçage) et pénétrer dans le béton. Les chlorures atteignant les armatures détruisent la couche protectrice des armatures qui peuvent alors être attaquées par la corrosion. L'anhydride carbonique pénétrant dans le béton provoque sa carbonatation. Il en résulte un abaissement du pH de la solution interstitielle du 25 béton et les armatures perdent alors leur protection chimique. Lorsque la corrosion est déclenchée, les armatures présentent d'une part des zones anodiques, o se développe la dissolution des armatures, et d'autre part des zones cathodiques o a lieu la réduction électrochimique de l'oxygène. - 2 Dans les zones anodiques, les atomes de fer sont décomposés à l'état cationique, et passent en solution en libérant des électrons. Ainsi, les cations de fer (essentiellement Fe2+ et Fe3+) réagissent avec les ions hydroxydes de l'eau ou avec l'oxygène pour former des oxydes de fer. Ces oxydes de fer sont 5 expansifs: ils occupent un volume environ cinq fois plus grand celui occupé par l'acier de l'armature qui a été oxydé. Cette expansion provoque l'éclatement du béton d'enrobage dans les zones anodiques. Dans les zones cathodiques, l'eau et l'oxygène reprennent les électrons libérés par les atomes de fer, qui ont circulé dans les armatures 10 conductrices. Cette réaction cathodique forme des ions hydroxyles (H20 + Y2 02 + 2 e- -- 2 OH-). Ces ions hydroxyles viennent protéger cette zone grâce à un pH localement plus élevé (si le pH local est suffisamment basique). Les zones cathodiques sont plus nobles que les zones anodiques en ce sens qu'aucune dégradation ne s'y produit. Elles sont néanmoins le 15 complément indispensable à la dégradation dans les zones anodiques. Lors de la réparation d'un ouvrage en béton armé souffrant des effets de la corrosion, il est habituel (norme NF P95-101) de retirer le béton d'enrobage abîmé par l'expansion des oxydes de fer jusqu'au delà des armatures, de débarrasser les armatures de la couche d'oxyde et de mettre en 20 place un nouveau béton ou mortier pour reconstituer la forme. Le mortier de réparation employé a des caractéristiques alcalines qui donnent aux armatures une protection naturelle, comme expliqué en introduction. Cependant, le béton adjacent à la réparation reste pollué par des substances agressives (chlorures, carbonates), ce qui entraîne de nouveau la 25 formation de zones anodiques (anodes induites) couplées aux zones cathodiques ragréées. La conséquence à moyen terme de ce changement de polarité est une accélération de la corrosion dans les zones adjacentes à la réparation. Il est connu d'inclure dans la composition du mortier de réparation des 30 adjuvants de type inhibiteur de corrosion (exemple: monofluorophosphate de - 3 sodium), qui agissent en captant les cations de fer dégagés dans les zones anodiques pour former un composé protecteur. Mais ces inhibiteurs de corrosion doivent migrer au sein du béton existant pour atteindre les aciers environnants et les protéger, ce qui rend cette méthode peu fiable. Une autre méthode de protection anodique connue consiste à inclure dans la composition du mortier de réparation des particules d'un métal plus électropositif que le fer, destinées à former des anodes sacrificielles (voir FR-A-2 689 921 ou FR-A-2 770 839). L'idée ici est de forcer les armatures en acier à jouer le rôle de cathode dans le système électrochimique, ce qui 10 requiert l'ajout de fibres conductrices dans le mortier de réparation pour y assurer une bonne conduction électrique. Un problème de cette méthode est que le métal des anodes sacrificielles tend à réagir avec le milieu alcalin du mortier de réparation, ce qui en consomme une partie et peut nuire à la bonne conduction et donc à l'efficacité de la protection. Pour résoudre ce problème, 15 on est amené à prévoir des conditionnements spéciaux des anodes sacrificielles, ce qui pose des problèmes de cot et de commodité de mise en oeuvre du mortier (voir WO 00/69788). Un but de la présente invention est proposer un autre mode de protection des aciers du béton armé contre la corrosion. Dans le contexte 20 particulier de la réparation d'ouvrages d'art en béton armé, un autre but est d'améliorer la tenue dans le temps de la réparation en luttant contre le phénomène d'anode induite. L'invention propose ainsi une composition de mortier pour un ouvrage en béton renforcé par des armatures métalliques, incorporant au moins un 25 agent chimique de fixation de l'oxygène pour empêcher des réactions cathodiques sur des armatures métalliques au contact desquelles est amené le mortier. Les agents de fixation réagissent avec l'oxygène pour former d'autres composés, empêchant ainsi que l'oxygène arrive à la surface de l'acier pour le 30 réduire électrochimiquement et former des ions hydroxyles. Ces agents chimiques capables de bloquer l'oxygène provenant du - 4 milieu extérieur ou dissous dans l'eau interstitielle du mortier évitent la formation d'anodes induites, notamment après une réparation conventionnelle d'un ouvrage en béton armé souffrant des effets de la corrosion. La composition de mortier, "dé-oxygéné" ou "non-oxygéné", évite donc les dégradations en supprimant le siège des réactions cathodiques. Les agents chimiques permettant de piéger l'oxygène peuvent notamment comprendre un ou plusieurs composés parmi le sulfite de sodium (Na2SO3), le thiosulfate de sodium (Na2S203), le dioxyde de soufre (SO2) et l'hydrazine N2H4. La composition de mortier selon l'invention peut être mise en oeuvre dans différentes applications, notamment dans des mortiers à base de ciment hydraulique ayant toute gamme de granulométrie souhaitée. On peut l'employer dans des ouvrages neufs (dans un but préventif) ou en tant que coulis de ciment à injecter autour de câbles de précontrainte. Un domaine 15 d'application privilégié sera néanmoins celui de la réparation des ouvrages en béton armé détériorés par la corrosion des armatures. Un autre aspect de la présente invention se rapporte à un procédé de réparation d'une portion d'ouvrage en béton armé, dans lequel on enlève du béton dégradé dans une zone de réparation et on vient appliquer dans cette 20 zone un mortier ayant une composition telle que définie ci- dessus. Contrairement aux inhibiteurs de corrosion connus, qui doivent migrer de façon aléatoire au travers du béton existant pour protéger les aciers, les agents de fixation de l'oxygène incorporés au mortier de réparation ont une action de blocage au niveau du ragréage lui-même. Ils suppriment la cause 25 (anode induite) et non seulement les conséquences sur les zones adjacentes. On notera que ces agents de fixation de l'oxygène jouent un rôle inverse des anodes sacrificielles utilisées dans certaines méthodes de réparation connues, car ils empêchent au lieu de stimuler les réactions cathodiques sur les aciers situés dans la zone ragréée. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une vue en coupe schématique d'une portion d'ouvrage traitée à l'aide d'un mortier selon l'invention. Un exemple de mortier de ragréage "dé-oxygéné" ou "non-oxygéné" selon l'invention est à base de liant hydraulique, avec un squelette minéral constitué de façon classique de granulats silico-calcaires d'une granulométrie appropriée afin de permettre le bon remplissage des zones à ragréer. Il y est ajouté un ou plusieurs adjuvants destinés à bloquer les actions 10 corrosives de l'oxygène. Ces agents chimiques ont comme caractéristique de réagir avec l'oxygène pour former d'autres composés, empêchant ainsi que l'oxygène arrive à la surface de l'acier pour le réduire électro-chimiquement et former des ions hydroxyles. L'oxygène, d'origine extérieure ou issu de l'eau de gâchage du mortier, est ainsi empêché d'alimenter la réaction cathodique 15 (H20 + /2 02 + 2 e- - 2 OH-) complémentaire de la réaction anodique d'oxydation produisant des oxydes de fer expansifs. A titre d'exemple, le mélange sec du mortier peut avoir la formule de base suivante (les pourcentages sont en poids): - ciment Portland artificiel 26%; - sable silico-calcaire 70%; - plastifiant 1,2%; - Na2SO3 0,75%; Na2S2O3 0,75%; - S02 0,65%; - N2H4 0,65%. Un tel mélange est par exemple gâché avec de l'eau dans un rapport E/C de 0,45 à 0,70. Cette formule n'est donnée qu'à titre indicatif. Comme il est usuel, le maçon ou le constructeur adapte les proportions des composants du mortier selon la consistance désirée, la résistance mécanique souhaitée, la nature du ciment utilisé, le calibre et la forme des agrégats. En outre, les quatre agents de fixation de l'oxygène mentionnés peuvent être remplacés par d'autres agents empêchant la réaction cathodique. Le mortier peut être réalisé avec toutes sortes d'agrégats, pour des applications spécifiques telles que les bétons de haute densité à base de nodules de fer ou d'hématites, ou pour des bétons légers à base d'agrégats d'argile expansée, etc. De façon connue en soi, il peut être amélioré en termes de retrait par l'adjonction de fibres de renfort métalliques, végétales, ou 10 synthétiques qui ne modifient pas le rôle de neutralisation des anodes induites. Les proportions du mélange d'adjuvants peuvent être ajustées en fonction du béton à réparer, pour une meilleure efficacité. La forte alcalinité du mortier place le potentiel de l'armature 1 dans la zone ragréée 2 bien audelà de celui de son voisinage 3. Ceci lui confère un rôle de cathode prédominante, 15 qui polarise le système électrolytique avec un champ électrique favorable au transport des électrons vers la zone de ragréage 2, o les adjuvants empêchent leur réduction. Le mortier ainsi obtenu permet d'augmenter la protection des armatures 1 au-delà des zones de ragréage parce que: - le mortier de réparation, de haute alcalinité, rend les oxydes dans la zone de ragréage 2 stables et adhérents; - grâce à la combinaison des adjuvants ajoutés au mortier, l'oxygène ne peut pas être réduit dans la zone de ragréage, de sorte que les électrons sont réduits dans la périphérie 3 du ragréage en formant des ions 25 hydroxyles qui protègent ainsi les armatures. Ces mécanismes permettent de diminuer la vitesse de corrosion des armatures en supprimant pour l'essentiel l'amorçage de la corrosion que l'on constate habituellement quand on utilise un mortier traditionnel. Même si d'éventuelles zones anodiques 4 se forment, l'utilisation de ce mortier de 30 réparation permet de limiter l'extension des dégradations. Le mortier de réparation selon l'invention peut être mis en oeuvre à la truelle, par coulage, par projection ou par injection. Il peut être armé ou non. De par sa capacité à isoler les armatures de l'oxygène, il permet une protection contre la corrosion même pour des épaisseurs d'enrobage relativement faibles. Le mortier peut être mis en oeuvre avec un procédé distinct de protection cathodique (ou sur une structure déjà protégée de la sorte). Il a alors pour avantage de limiter les courants de protection nécessaires car il donne lieu à des cathodes peu consommatrices d'électrons. Le mortier selon l'invention apporte d'autre part une solution de réparation des dégradations superficielles du béton précontraint dans les cas o la protection cathodique (à courant imposé ou sacrificielle) présente un risque. - 8 REVENDICATIONS 1. Composition de mortier pour un ouvrage en béton renforcé par des armatures métalliques (1), caractérisée en ce qu'elle incorpore au moins un agent chimique de fixation de l'oxygène pour empêcher des réactions 5 cathodiques sur des armatures métalliques au contact desquelles est amené le mortier. 2. Composition de mortier selon la revendication 1, dans laquelle l'agent de fixation de l'oxygène comprend au moins un composé parmi Na2SO3, Na2S203, S02 et N2H4. 3. Procédé de réparation d'une portion d'ouvrage en béton armé, dans lequel on enlève du béton dégradé dans une zone de réparation (2) et on applique dans ladite zone un mortier ayant une composition conforme à la revendication 1 ou 2.