La carbonatation du béton

La rouille est provoqué naturellement par l'érosion du fer ou de l'acier par action de l'eau

Généralités

La carbonatation du béton correspond à une carbonatation qui va provoquer la dégradation des bétons armés. En effet, cette réaction est la première responsable de la mise à nu des armatures en acier des bétons armé.

Lorsque l'on parle de carbonatation, on y associe un phénomène de retrait que l'on appelle retrait de carbonatation. Cette réaction entraîne alors des problèmes de durabilité puis de résistance sur les structures construites avec du béton armé. En effet, les barres d'acier qui permettent de garantir la résistance de la structure vont se mettre à gonfler sous l'effet de la corrosion et vont provoquer l'éclatement de l'enrobage. En plus de cela, le matériau va subir un retrait causé par la carbonatation. On peut alors observer une mise à nu de l'acier qui va commencer à se corroder.

pH, Ka et pKa

le pH

Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l'activité chimique de ce qu'on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l'ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium.

Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l'acidité ou encore la basicité du solution. On peut alors la déterminer avec l'échelle suivant dans le cas d'un milieu aqueux à 25°C :

  • une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
  • une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
  • une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.

Mais la définition que nous connaissons aujourd'hui du pH, définition de Sorensen, n'a été officiellement reconnue qu'à partir du milieu du XXe siècle par l'UICPA.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaire et s'énonce ainsi :

    \[ pH = - \log \left( a _ { \text { H } } \right) \]

Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l'activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH.

Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d'obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l'activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l'influence du solvant ou encore de la température.

Il reste cependant possible d'obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l'activité.

Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.

le Ka et le pKa

Le Ke correspond à une constante d'équilibre particulière correspondant à la dissociation de l'eau. Connaissez-vous d'autres constantes d'équilibre particulières ?

le Ka correspond à la constante d'acidité, encore appelé constante de dissociation acide. Elle permet la mesure quantitative de la force d'un acide en solution. En effet, cette constante permet également de connaître l'équilibre d'une espèce acide dans le cadre d'une réaction acido-basique. De cette façon, plus le Ka est élevée, plus la dissociation des molécules en solution est grande. On peut alors dire que la force d'un acide est proportionnelle au Ka.

En chimie, une constante d'acidité ou constante de dissociation acide, Ka, est une mesure quantitative de la force d'un acide en solution. C'est la constante d'équilibre de la réaction de dissociation d'une espèce acide dans le cadre des réactions acido-basiques. Plus cette constante Ka est élevée, plus la dissociation des molécules en solution est grande, et donc plus fort est l'acide.

Soit :

    \[ AH + B \rightleftarrows A ^ { - } + BH ^ { + } \]

Avec :

  • Couple AH/A-
  • Couple BH+/B

On considère alors que AH correspond à un acide générique qui va, en se dissociant, donner l'acide A- qui est sa base conjuguée, ainsi qu'un ion hydrogène H+ que l'on appelle également proton. Si la réaction se déroule dans un milieu aqueux, ce proton devient un proton solvaté H3O+.

On considère alors les espèces chimiques AH, A- et H+ sont en équilibre si leur concentration ne varie pas en fonction du temps. On peut alors écrire la constante d'équilibre sous la forme de quotient de concentrations des différentes espèces à l'équilibre (en mol/L), notées [AH], [A-] et [H+]. On obtient donc :

    \[ K _ { a } = \frac { \left[ A ^ + \right] \times \left[ H ^ - \right] } { \left[ AH \right] } \]

Pour obtenir le pKa, tout comme le p de pH, le p de pKa représente la fonction "- log" donc ici - log (Ka). Donc si on parle de pOH ou de pKa, cela signifie que l'on parle de - log (OH) et de - log (Ka). On a donc :

    \[ \text { p}K _ { a } = \log \left( 10 \right) \times K _ { a } \]

Nous vous posions la question un peu plus haut et, pour assouvir votre curiosité, voici un petit tableau récapitulatif de quelques constantes d'équilibre particulières :

Constante d'équilibreSymboleType d'équilibre
Produit ionique de l'eauKeDissociation de l'eau
Produit de solubilitéksÉquilibre hétérogène entre une substance faiblement soluble et ses ions dans une solution saturée
Constante de dissociation (acidité et basicité)ka et kbDissociation d'un acide faible ou d'une base faible
Constante de complexationßnFormation d'un ion complexe
Constante de partage, aussi appelée constante de distributionkDÉquilibre de distribution entre des solvants non miscibles

Le béton armé : du béton et de l'acier

Le béton

Le béton correspond à un assemblage de matériaux de nature minérale. En effet, il est constitué de matières inertes, appelées granulats ou agrégats comme le gravier ou le sable et un liant comme le ciment, le bitume ou encore l'argile. Ce liant correspond alors à une matière qui permet d'agglomérer d'autres éléments, permettant ainsi l'ajout d'adjuvants capables d'influer sur les propriétés physiques et chimiques du mélange pour adapter celui-ci à l'utilisation prévue.

Lorsque l'on met se mélange en présence d'eau, celui-ci devient une pâte dont l'homogénéité varie, permettant ainsi de décider si celui-ci sera moulé en atelier afin de constituer une pierre artificielle ou encore coulée sur un chantier.

Lorsque l'on dit que le béton fait prise, on dit de celui-ci qu'il se solidifie.

Quand on parle de béton de ciment, couramment appelé « béton », on parle d'un mélange de ciment, de granulats, d'eau et d'adjuvants.

Il existe différents type de bétons de ciment comme :

  • Le béton armé qui correspond à un matériau composite, composé d'une armature en acier recouverte de béton ;
  • Le béton extrudé qui est régulièrement utilisé en technique routière. Ce type de béton correspond à un béton extrudé qui est donc coulé en place à l'aide de machines à coffrages glissants, que l'on appelle machines à extruder ou extrudeuses. Le béton extrudé permet ainsi la réalisation de murets de sécurité, de bordures ainsi que de dispositifs de retenue sur des linéaires importants. ;
  • Le béton projeté ou gunite qui correspond à un béton propulsé, après malaxage, sur un support sous forme de jet ;
  • Le béton autoplaçant qui correspond à un béton de ciment capable, sous le seul effet de la pesanteur, de se mettre en place dans les coffrages même les plus complexes et très encombrés sans nécessiter pour autant des moyens de vibration qui permettent de consolider le mélange. On obtient ainsi un produit très homogène ;
  • Le béton cellulaire qui correspond à un bloc isolant réalisé en autoclave ;
  • Le béton cyclopéen qui correspond à un béton contenant des gros blocs de pierre, des moellons, des galets, etc. ;
  • Le béton hautes performances qui correspond à un béton présentant une très forte résistance à la compression ;
  • Le béton translucide qui correspond à un matériau de construction en béton capable de transmettre la lumière grâce à la présence d'éléments optiques intégrés ;
  • Le bloc de béton qui correspond à un élément de maçonnerie moulé ;
  • Et le béton désactivé qui correspond au nom donné à un béton où l'on peut trouver sur sa surface des granulats de couleur. On est capable d'obtenir un tel béton grâce à la pulvérisation d'un désactivant sur la surface fraîche d'un béton au moment de son coulage. Suite au séchage de ce béton, il est nécessaire de procéder à un rinçage à haute pression de la surface afin de faire apparaître les granulats.

La rouille est un phénomène irréversible. En effet, le métal est "consommé" afin de permettre la formation de la rouille. C'est pour cela qu'il est nécessaire de prévenir toute formation grâce au recouvrement par un métal résistant à la rouille ou en appliquant un produit adapté sur la carrosserie d'une voiture en cas de point de rouille pour éviter la propagation de celle-ci.

Le ciment : élément constitutif du béton

Le ciment correspond à un liant hydraulique, cela signifie qu'il est capable de durcir sous l'action de l'eau. Utilisé dans la préparation du béton, il est également utilisé, et de façon très fréquente, dans la fabrication de dallage, de parpaings, d'enduits mais aussi de mortiers.

Les différents ciments sont classé sous la dénomination "CEM" suivi d'un chiffre romain compris entre I et V lui-même suivi d'une lettre en majuscule qui est choisie selon la teneur en clinker mais aussi d'autres composants comme la chaux, les fumées de silice et la pouzzolane.

Aujourd'hui, on n'utilise plus le terme de ciment de Portland, et ce depuis la fin des années 1970, pour utiliser le CPA qui correspond au ciment Portland pur et le CPJ qui correspond au ciment Portland composé qui seront à leur tour désuets suite à la mise en place d'une norme européen.

Pour obtenir du ciment, on utilisait à l'origine une réaction endothermique se déroulant lors de la mise en présence du calcaire avec de l'argile. Lorsque ces deux composants sont mélangés avec de l'eau afin de permettre la prise et l'agglomération des sables et granulats entre eux. Cependant, on ajoute aujourd'hui d'autres composants à ce mélange selon l'utilisation future de celui-ci. Il est alors possible de constituer avec ces mélanges sur mesure des roches artificielles, des bétons ou encore des mortiers.

Exercice sur l'utilisation du carbone sur le béton

La calcite correspond à un minéral chimique ou biochimique qui est composé de carbonate naturel de calcium de formule CaCO3. On peut également trouver, au sein de ce minéral, diverses traces de Mn, Fe, Zn, Co, Ba, Sr, Pb, Mg, Cu, Al, Ni, V, Cr ou Mo.

Le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère peut se dissoudre en solution aqueuse. Dans le cas des solutions basiques il se dissout sous forme d’ions carbonate CO32- . Lorsque le phénomène se produit sur un béton, les ions carbonate issus du dioxyde de carbone peuvent remplacer les ions HO- de l'hydroxyde de calcium (formation de CaCO3 (s)). On parle alors de carbonatation d’un béton, conduisant à une fragilisation de sa structure.

On étudie le carbonate de calcium (de type calcite).

  • Rappeler les règles générales permettant d’établir la configuration électronique d’un atome dans l’état fondamental et les appliquer à l’atome de calcium. Pourquoi le calcium forme-t-il des ions Ca2+ de façon privilégiée ?
  • Etablir, en justifiant rapidement, le diagramme de prédominance des espèces en solution du carbone : H2CO3 (aq) ; HCO3-(aq) ; CO32-(aq). Dans le cas du béton, le dioxyde du carbone dissous en surface se trouve  sous la forme de carbonate.
  • A l'aide des données, montrer alors que la carbonatation du béton est thermodynamiquement favorisée.
  • En faisant une hypothèse simple qu'on justifiera, exprimer l'évolution du produit de solubilité de la calcite avec la température. La calcite est-elle plus soluble à chaud ou à froid ?
  • Donner un exemple d'utilisation en chimie de la faible solubilité du carbonate de calcium par rapport à son hydroxyde.
  • Donner un schéma de Lewis de l’ion carbonate. Cet ion possède-t-il un moment dipolaire permanent ? Justifier.
  • La masse volumique de la calcite est de 2,7.103 kg.m-3 . Calculer son volume formulaire (volume occupé par une unité de formule). La structure cristallographique de l'hydroxyde de calcium (portlandite) peut être décrite comme un empilement de feuillets. Dans la figure suivante ne sont représentés que les atomes de calcium: ils dessinent un maillage hexagonal dans chaque feuillet. La distance entre deux atomes de calcium voisins dans un feuillet est de 0,36 nm et la distance entre deux feuillets voisins de 0,49 nm.
  • Calculer le volume formulaire de la portlandite. Comment se traduit sa transformation en calcite en termes de changement de volume ?

Données

  • Numéros atomiques : 6 (C) ; 8 (O) ; 20 (Ca).
  • Masse molaire : Ca : 40 g.mol-1
  • Enthalpies standard de formation et entropies standard (à 298 K) :
    Composé chimiqueΔfH° (kJ.mol-1)Sm° (J.K-1.mol-1 )
    Ca2+(aq)-543-53
    CaCo3 (s) (calcite)-120793
    CO32-(aq)-677-57
  • Constantes d’acidité : pKa1 (CO2, H2O / HCO3- ) = 6,4 ; pKa2 (HCO3- /CO32- ) = 10,4
  • Produit de solubilité : Ks(CaCO3) = 3.10-9 , Ks(Ca(OH)2) = 5.10-6

 

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Joy

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