Il est l’un des matériaux les plus utilisés au monde depuis que les Romains l’ont perfectionné ; très résistant et durable, le béton est la clef de voûte de toutes nos infrastructures. Ponts, tunnels, routes, barrages ou fondations : toute société moderne est entièrement dépendante de ce matériau et de ses propriétés mécaniques.
Même s’il est robuste, il est, finalement, assez vulnérable lorsqu’on le regarde de plus près, puisqu’il abrite un réseau de pores nanométriques, dont la disposition détermine sa résistance dans le temps. Elles « contrôlent » le passage des ions qui finissent par le corroder, et ces infiltrations (eau, ions, etc.) réduisent sa durée de vie.
À l’échelle mondiale, cette détérioration prématurée pèse lourd, car remplacer un ouvrage en béton implique de le reconstruire, donc de recuire du ciment, de refondre de l’acier et d’émettre, de nouveau, des millions de tonnes de gaz à effet de serre. Une faille (sans mauvais jeu de mots) à laquelle s’attaque cette étude de l’Université Rice (Houston, Texas) publiée le 29 septembre dans la revue Journal of Physical Chemistry.
Dans l’intimité du béton
Le béton se forme lorsque l’on mélange du ciment, de l’eau et des granulats. En hydratant le ciment (un mélange de calcaire et d’argile cuits à très haute température), l’eau provoque une série de réactions chimiques qui font apparaître un gel solide, le calcium silicate hydrate (CSH). Ce CSH est la « colle minérale » dans lequel se forme ces pores, qui lie les grains et donne au béton sa résistance.
Si on savait déjà depuis longtemps que ces pores laissaient passer eau et ions, on ignorait totalement comment ce transport se déroulait à l’intérieur même de ces cavités minuscules. Pour mieux comprendre le phénomène, les chercheurs à l’origine de cette étude ont exploré du béton à l’échelle atomique, grâce à des simulations permettant de contrôler divers paramètres des pores.
« Jusqu’ici, on manquait d’une vision vraiment localisée de la manière dont les ions migrent dans ces nanopores », note Kai Gong, auteur principal de l’étude. Ainsi, en recréant virtuellement ces nanopores à très petite échelle, les chercheurs ont pu suivre le trajet de l’eau et des ions comme si une caméra microscopique s’y était frayée. Ils ont découvert que les parois des pores agissent comme une surface collante, ralentissant fortement les molécules, mais leur centre les accélère. Pourquoi est-ce si important ?
Parce que la corrosion du béton dépend précisément de la vitesse à laquelle les ions chlorure atteignent l’acier. Si ces ions se déplacent rapidement, ils déclenchent beaucoup plus tôt la réaction électrochimique qui ronge l’armature et fissure le béton de l’intérieur. À l’inverse, si le matériau freine leur progression, il est possible de retarder considérablement l’apparition des dommages.
Grâce à cette cartographie atomique, les ingénieurs peuvent désormais comprendre quels types de pores agissent comme des « accélérateurs » de corrosion, et lesquels jouent au contraire le rôle de « ralentisseurs ».
Un béton plus durable avec un impact climatique réduit ?
Dans les environnements côtiers riches en sels, par exemple, les bâtiments construits en béton sont très sensibles à la corrosion en raison de la proximité avec la mer ou l’océan. Les ions chlorure, abondants dans ces milieux, traversent graduellement la microstructure du matériau, attaquent l’acier qu’il renferme et accélèrent la dégradation des ouvrages. Comprendre comment ces ions se déplacent dans les nanopores du CSH, c’est comprendre comment concevoir des bétons plus résistants et plus écologiques.
Le secteur de la construction, à lui seul, est responsable de plus de 40 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, le béton et l’acier étant responsables d’une part substantielle de ce total. Si l’on parvient, avant de se lancer dans un chantier, à déterminer quel type de matrice de nanopores minimise la mobilité des ions, on pourrait adapter la formulation du béton aux contraintes de son milieu. Climat sec ou humide, environnement marin ou continental, forte chaleur ou alternance gel-dégel : tous ces paramètres environnementaux influencent le comportement des ions. Avec les modélisations de l’Université Rice, ces facteurs pourront être intégrés dès la phase de conception d’une infrastructure. Une méthodologie qui, si elle est un jour standardisée à l’échelle mondiale, pourrait réduire l’empreinte carbone du béton en optimisant simplement sa microstructure.
- Des chercheurs ont observé, à l’échelle atomique, comment l’eau et les particules salines circulent dans les moindres cavités du béton, révélant les zones où elles progressent le plus vite.
- Cette dynamique interne explique pourquoi certaines structures s’abîment rapidement en milieu salin : tout dépend de la manière dont ces cavités guident les particules corrosives vers l’armature métallique.
- En maîtrisant cette micro-architecture avant la construction, il serait possible de créer des ouvrages plus durables et moins émetteurs, simplement en ajustant la structure intime du matériau.
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