Béton

 

Tuyau en bétonTuyau en béton près d'une plage

 

 

          Composé de matériaux recyclables et naturels, la conception du béton entraîne cependant une importante consommation d’énergie et parfois l’utilisation d’additifs étant nocifs pour l’environnement.

Seront exposés ici les différents types d’impacts de l’environnement liés au béton qui doit répondre aux critères du développement durable : 

 

SchémaSchéma des trois pilliers du développement durable

 


          Impact ordinaire du béton sur l’environnement : 

 

D’après C. LEVY, directeur de la Recherche Granulats et Béton de Lafarge, environ 80% de CO2 d’un bâtiment provient de son exploitation tout au long de sa durée de vie. Repenser les systèmes constructifs pour concevoir des bâtiments moins consommateurs d’énergie est une nécessité. Néanmoins la fabrication du béton, et plus particulièrement du ciment, utilise une quantité d’énergie non négligeable. 
La principale utilisation d’énergie ayant un rapport avec le béton vient premièrement de son acheminement (transport en camion du béton ou des matières premières) ainsi que de sa confection (mazout ou autre combustible pour cuire la roche en ciment). La consommation électrique pour brasser mécaniquement de grandes quantités de bétons vient s’ajouter aux autres. Toutes ces consommations d’énergies induisent donc une production plus ou moins forte de CO2.
La fabrication du ciment rejette donc d’importantes quantités de dioxyde de carbone : la production d’une tonne de ciment entraîne l'émission d’environ 0,35 tonnes de CO2 (rien que par la calcination des matières premières). Sans oublier la pollution due aux poussières de ciment.

SchémaSchéma montrant la pollution lors de la fabrication du ciment

 


          La fabrication du ciment est une importante source de gaz à effet de serre représentant environ 7 à 8 % des émissions totales de CO2 à l'échelle du globe terrestre. La production d’une tonne de ciment requiert l’équivalent de 60 à 130 kg de fuel (ou son équivalent) et une moyenne de 210 kWh. La consommation de ciment par habitant varie fortement en fonction des profils géographiques d‘un pays (tunnels et ponts dans les zones montagneuses), des contraintes sismiques (Grèce, Turquie) et atmosphériques (autoroutes en béton dans les pays du nord), des habitudes locales, des densités de population et du cycle de croissance.

En quelques chiffres, la moyenne européenne était en 2004 (source Cembureau) de 528 kg par habitant, avec des pics à 1221 kg pour le Luxembourg, 1166 kg pour l’Espagne et 963 kg pour la Grèce et des plus bas pour la Suède (192 kg), la Lettonie (200 kg) et le Royaume Uni (216 kg).

 

SchémaSchéma montrant la production du béton par pays en %

 


          Vieillessement du béton :


    Le vieillissement du béton est son plus grand défaut en tant que matériau de construction. Les altérations du béton sont nombreuses et variées. Elles atteignent soit la matrice cimentaire soit les armatures, ou les deux. Leurs origines sont très nombreuses : chaque étape depuis la formulation, jusqu'à la mise en oeuvre, mais aussi l'agressivité de l'environnement peuvent être source de dégradation.

Par exemple, le positionnement des armatures est essentiel car si elles affleurent ou si elles sont placées trop près de la surface, leur oxydation sera favorisée, ce qui induira une dégradation du béton. Une armature oxydée peut occuper jusqu'à neuf fois plus de volume que le métal initial provoquant des contraintes inertes au matériau. De même, le béton est un produit moulé, aussi toute imperfection du coffrage (étanchéité, aspérités, traces de rouille, ...) laissera son empreinte dans le béton.

 

Vieillissement du bétonVieillessement du béton


         Les principales sources d'altération :


    Les sources possibles de dégradations liées à la formulation ou à la mise en oeuvre sont nombreuses. D'autant plus que de nos jours, des adjuvants et ajouts (fumées de silice, cendres volantes, fillers calcaires ou siliceux...) sont mélangés au béton. Des produits de démoulage sont également utilisés sur les coffrages, ce qui fait autant de paramètres supplémentaires créant occasionnellement des altérations ou des défauts d'aspect, en cas d'utilisation inadaptée.

Cependant, un béton correctement formulé et mis en oeuvre peut s'altérer après une durée d‘environ une dizaine d‘années. Dans ce cas les altérations sont soit liées à des problèmes de structure, soit à un vieillissement du béton ou encore à une agression de l'environnement. Il existe cinq mécanismes principaux de dégradations du béton (sans compter celui des problèmes de structure) : 


      -  La carbonatation : Phénomène de vieillissement naturel qui concerne tous les bétons. Elle correspond à une transformation progressive d'essentiellement un des composés du béton durci, la portlandite (Ca(OH)2), en calcite (CaCO3) au contact du dioxyde de carbone contenu dans l'air et en présence d'humidité. Cette transformation s'accompagne d'une diminution du pH, (le béton sain a un pH d'environ 13), ce qui constitue un milieu protecteur pour les armatures en acier et permet la formation d'une couche d'oxydes passifs. Le pH d'un béton carbonaté est d'environ 9. A ces valeurs de pH, la corrosion peut se développer.Une des conséquences principales de la carbonatation est donc de favoriser la corrosion des armatures, lorsque le front de carbonatation les atteint. Elle se traduit la plupart du temps par l'apparition d'épaufrures laissant apparaître des armatures oxydées et par l’explosion ou la fissuration du béton.


      -  Les alcali-réactions : Ce sont toutes les réactions qui peuvent se produire entre les granulats du béton et les alcalins de la pâte de ciment. "Trois conditions doivent êtres simultanément remplis pour que ces réactions puissent avoir lieu. Il faut que le granulat soit potentiellement réactif, que l'humidité relative excède 80 à 85% et que la concentration en alcalins dépasse un seuil critique." (M.A.Bérubé & A. Cales-Gibergues).

Il y a trois grands types d'alcali-réactions :

  • les réactions alcali-carbonate, 
  • alcali-silicate 
  • alcali-silice.

Cette dernière est la réaction la plus fréquente. Le nouveau composé formé lors de ce type de réaction est un gel hydrophile gonflant en présence d'eau. Les propriétés mécaniques du béton atteint de cette dégradation diminuent, surtout sa résistance. Les conséquences de l'alcali-réaction sont sous la forme du faïençage ou bien d'éclatement du béton concerné. L’apparition de ces réaction se déroule généralement au bout d’une durée d’une dizaine d’années. Mais celles-ci peuvent apparaître plus rapidement si les trois conditions précédemment citées sont remplies.

 

      -  Les cycles de gel / dégel : Ces cycles ne concernent pas tous les bétons, mais seulement les bétons dits « gélifs ».  Des fissurations internes ou des écailles sont les marques des dégradations que subissent essentiellement les structures horizontales (terrasses, ponts, etc) qui sont susceptibles d'êtres saturés en eau et donc plus réceptifs au gel. La sensibilité au gel des granulats ainsi que de la pâte de ciment peut entraîner la gélivité d’un béton, mais ces deux phénomènes ne peuvent pas se produire si l’un d’entre eux a déjà eu lieu.

La porosité de la pâte de ciment peut être assimilée à une association de bulles et de tubes (capillaires), les bulles étant reliées entre-elles par des capillaires. La formation de glace peut s’avérer être sans conséquence nuisible lorsque l’eau peut se déplacer au travers des capillaires jusqu'à une bulle encore "libre". Mais cela peut générer le développement d’une fissuration dans le cas contraire, c’est-à-dire si la glace se forme dans les capillaires.

La transformation d’eau en glace est accompagnée par une augmentation de volume légèrement inférieure à 10%. Mais les fissures ne proviennent pas seulement de cette expansion de volume et elle a pour conséquence l’existence de mouvements d’eau à l’intérieur de la porosité. Lorsque les pressions occasionnées par ces mouvements d'eau dépassent la résistance en traction du béton, elles provoquent l'apparition de fissures.

L'expérience montre qu'un réseau de bulles d'air de diamètre et d'espacement (on parle de Lbarre) adaptés à l'ouvrage et aux conditions climatiques auxquelles il est soumis (assuré par l'ajout d'une catégorie d'adjuvants, appelés les "entraîneurs d'air") permet d'améliorer la résistance au gel du béton. Concernant les granulats, leur taille, leur porosité et leur perméabilité jouent un rôle sur leur gélivité. Les granulats étant les plus sensibles au gel semblent être les agrégats de grandes dimensions (les sables sont généralement beaucoup moins gélifs que les graviers) et présentant une forte porosité, essentiellement formée de pores très fins.


      -  L'attaque par les chlorures : L’apparition des chlorures dans le béton peut avoir lieu soit dans ses constituants (granulats de mer non lavés, béton gâché à l'eau de mer, adjuvants contenant des chlorures...), soit à cause de l'environnement (proximité de la mer, sels de déverglaçage...). Lorsque ces chlorures atteignent en quantité suffisante les armatures (seuil limite en chlorures totaux : 0.65% du poids de ciment selon la norme P18-011), ils conduisent à leur dépassivation et à une plus grande sensibilité à la corrosion. Dans le cas où le béton est déjà carbonaté et que la corrosion est amorcée, les chlorures jouent un rôle de catalyseur.



      -  L'attaque sulfatique : Comme l'attaque par les chlorures, elle ne se produit que lorsqu’il y a un apport suffisant en sulfates. Ces derniers, liquides ou gazeux, ont souvent pour provenance des pollutions urbaines ou industrielles. Certains composés du béton (comme les aluminates) peuvent réagir avec eux afin de produire de l'ettringite secondaire, également appelée sel de Candlot ou trisulfoaluminate de calcium. Ces sels à caractère expansif conduisent à un gonflement du béton et à sa fissuration lorsqu'ils sont produits en quantité importante. Les fissures produites sont généralement assez fines et surtout sont organisées en un réseau de mailles, on parle de faïençage.

DégradationDégradation du béton

 

 

          Recyclage du béton :

 

      Le béton – c'est-à-dire du ciment où sont incorporés des gravillons ou des cailloux, dits granulats --- ne peut pas être retransformé en ciment car il est difficile de le nettoyer des granulats. Le recycler ne permettrait donc pas de réduire les émissions de carbone liées à la production du ciment, base du béton. Mais son recyclage (qui peut se faire si le béton à recycler ne contient pas de plâtre) permettrait à la fois de dégager les décharges et de récupérer des matériaux utiles, sans oublier l’empreinte carbone et le coût du transport du béton neuf. Généralement, le béton recyclé est réduit en petit morceaux pour servir à faire des soubassements de routes ou consolider des infrastructures. Les estimations concernant le béton sont telles qu’environ 20% du béton utilisé actuellement pourrait être remplacé par du béton recyclé.
Selon le World Business Council for Sustainable Development, l’Europe, les Etats-Unis et le Japon produisent chaque année une masse de 900 millions de tonnes de déchets de construction, dont une bonne partie est composée de béton. En Europe, sur les 1,4 milliards de tonnes de déchets annuels, 40% (soit 510 millions de tonnes) sont des déchets de construction. Les Etats-Unis produisent 325 millions de tonnes de déchets de construction et le Japon 77 millions. Comme la Chine et l’Inde produisent maintenant plus de 50% du béton mondial, leurs déchets de béton seront donc, eux aussi, importants.

Un procédé permettant le recyclage (presque) complet du béton est appliqué dans certains pays comme la Suisse (95%). Voici quelques chiffres ou plutôt quelques taux de pourcentages concernant d’autres pays d’Europe :

Celui de l’Allemagne est de 80%, celui de la France s’élève à 63%. La France possède de nombreuses sociétés étant spécialisées dans le recyclage du béton ou des boues de béton et de ses granulats, et sera contrainte par la loi à partir de 2012 d’éliminer complètement le béton de ses décharges, une obligation déjà en vigueur notamment dans les pays scandinaves. Des groupes comme EDF recyclent depuis des années ses poteaux en béton.

 

RecyclageRecyclage : Récupération du béton et concasssage

 


          Définition d’un béton de recyclage :


      Un béton de recyclage conforme à la norme SN EN 206-1 est un béton dont le granulat est constitué à hauteur d'au moins 25% de sa masse de béton recyclé et/ou de granulats non triés au sens de la Directive de l'OFEV pour la valorisation des déchets de chantiers minéraux. La directive SIA 2030 consacrée au béton de recyclage est actuellement en cours d'élaboration, elle prendra en compte les données actuelles, en particulier les normes de structures et prescriptions environnementales les plus récentes. Son objectif est de rendre possible le recours en toute sécurité à du béton de recyclage pour les constructions en béton selon la norme SIA 262.

Le béton de recyclage et le granulat de béton sont aujourd'hui souvent utilisés dans la construction. Le dimensionnement peut être calculé selon la norme SIA 262 comme pour le béton constitué d'un granulat naturel. Le béton de recyclage comportant du granulat non trié n'a jusqu'à aujourd'hui que rarement été utilisé pour la construction de structures, car ses propriétés peuvent différer sensiblement de celles d'un béton composé d'un granulat naturel. Mais une faible teneur en matériaux minéraux non triés (jusqu'à 5% de la masse du granulat) qui peut se présenter dans un béton normal ou un béton de recyclage, ne pose en général pas de problème.

 

 

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