Dans le domaine de l’ingénierie de la construction, le béton est un matériau de construction largement utilisé, et ses performances sont directement liées à la sécurité et à la durabilité de l’ensemble de la structure du bâtiment. Cependant, dans les régions froides ou pendant les travaux d’hiver, le béton est souvent endommagé par le gel, ce qui entraîne de nombreux problèmes de construction. Une meilleure compréhension des causes des dégâts causés par le gel du béton et la mise en œuvre de mesures préventives efficaces sont essentielles pour garantir la qualité des projets de construction.
Comprendre les risques et l’impact des dégâts causés par le gel du béton
Les dégâts causés par le gel du béton ne sont pas seulement un problème superficiel. Ils peuvent avoir un impact profond sur la structure interne et les performances du béton. Au niveau microscopique, les dégâts causés par le gel entraînent des changements dans la structure des pores du béton. Les pores, qui étaient à l’origine uniformément répartis, sont détruits, formant des fissures et des trous irréguliers. Ces changements microscopiques affectent directement la résistance, la durabilité et l’imperméabilité du béton. D’un point de vue macroscopique, les dégâts causés par le gel du béton peuvent entraîner des déformations et des fissures dans la structure du bâtiment, voire des dommages structurels, mettant en péril la sécurité d’utilisation du bâtiment et causant d’énormes pertes économiques. C’est pourquoi la recherche et la prévention des dégâts causés par le gel du béton revêtent une grande importance pratique.
Analyse des causes des dégâts causés par le gel du béton
(1) L’expansion de l’eau liée à la glace
L’eau joue un rôle vital mais difficile dans le système de composition du béton et constitue l’un des principaux facteurs à l’origine des dommages causés par le gel du béton. L’eau dans le béton existe principalement sous deux formes : l’eau libre et l’eau adsorbée. L’eau libre est l’eau qui existe dans les pores du béton. Elle est très mobile et n’a qu’une simple relation physique de remplissage avec les particules de ciment environnantes, les agrégats, etc. L’eau adsorbée est constituée de molécules d’eau adsorbées à la surface des particules de ciment, qui sont contraintes par des forces de surface et ont une mobilité relativement faible.
Lorsque la température ambiante descend en dessous du point de congélation (0°C), l’eau libre dans le béton subit d’abord un changement de phase en raison de son état relativement libre, passant de l’état liquide à l’état de glace solide. Lorsque l’eau gèle, son volume augmente d’environ 9 %. Ce changement de volume important génère d’énormes contraintes d’expansion dans l’espace poral étroit à l’intérieur du béton. D’un point de vue mécanique, le béton est un matériau fragile dont la résistance à la traction est relativement faible. Lorsque cette contrainte d’expansion dépasse la résistance à la traction du béton, c’est comme si l’on posait une « bombe à retardement » à l’intérieur du béton, provoquant la formation de fissures à l’intérieur du béton.
Lorsque la température ambiante continue de baisser, l’eau adsorbée, relativement stable, a également du mal à résister aux effets des basses températures et commence progressivement à geler. Le processus de formation de glace dans l’eau adsorbée exacerbe encore la contrainte d’expansion à l’intérieur du béton. Comme l’eau adsorbée était à l’origine étroitement adsorbée à la surface des particules de ciment, son expansion de volume lors du gel exerce un effet d’extrusion plus direct et plus intense sur la structure de pierre de ciment environnante, ce qui entraîne l’expansion et l’extension des fissures existantes, ainsi que l’augmentation progressive de la largeur et de la longueur des fissures, endommageant gravement l’intégrité de la structure interne du béton.
(2) L’effet de la réaction d’hydratation du ciment
La réaction d’hydratation du ciment est un processus clé au cours duquel le béton passe d’une boue plastique à un solide doté d’une certaine résistance et stabilité. Ce processus est essentiellement une réaction exothermique. Dans des conditions normales de température ambiante, lorsque les particules de ciment entrent en contact avec l’eau, une série de réactions chimiques complexes se produisent rapidement, générant divers produits d’hydratation tels que l’hydroxyde de calcium et le silicate de calcium hydraté. Ces produits d’hydratation s’entrecroisent et se fondent les uns dans les autres, formant progressivement une pierre cimentaire dotée d’une certaine résistance et d’une certaine structure, de sorte que le béton durcit progressivement et gagne en résistance.
Cependant, lorsque la température ambiante descend à une température basse, notamment en dessous de 0°C, la réaction d’hydratation du ciment est fortement inhibée. En effet, la réaction d’hydratation du ciment nécessite certaines conditions de température pour fournir l’énergie nécessaire à la réaction. Les basses températures réduisent l’activité des particules de ciment et ralentissent le mouvement des molécules d’eau, ce qui entraîne une diminution significative de la vitesse des réactions chimiques entre le ciment et l’eau. Lorsque la température descend en dessous de 0°C, la réaction d’hydratation du ciment s’arrête presque complètement. À ce stade, il se forme très peu de produit d’hydratation à l’intérieur du béton, et la croissance de la résistance du béton devient extrêmement lente, voire s’arrête complètement.
Dans ce cas, la structure interne du béton est loin d’être complètement formée, sa microstructure interne est relativement lâche, la porosité est relativement élevée, et il n’a pas la compacité et la résistance suffisantes pour résister aux effets de la contrainte du soulèvement par le gel. À ce stade, le béton est comme une « jeune pousse » immature, qui est très vulnérable aux dommages causés par le gel et plus facilement endommagée, ce qui déclenche le phénomène de dommages causés par le gel.
（3）Le rapport de mélange du béton n’est pas raisonnable
Le rapport scientifique et raisonnable du mélange de béton est comme le plan d’un bâtiment, déterminant directement les diverses propriétés du béton, en particulier sa résistance au gel. Parmi les nombreux facteurs qui affectent la résistance au gel du béton, le rapport eau-ciment est un indicateur de contrôle clé. Le rapport eau-ciment est le rapport entre la quantité d’eau utilisée et la quantité de ciment utilisée dans le béton, et il affecte directement la quantité d’eau libre dans le béton.
Lorsque le rapport eau-ciment est trop élevé, cela signifie que trop d’eau a été mélangée au béton. Cet excès d’eau libre est plus susceptible d’atteindre le point de congélation et de geler à basse température. L’expansion du volume après le gel génère une plus grande contrainte de soulèvement dû au gel à l’intérieur du béton, ce qui augmente considérablement le risque de dommages dus au soulèvement dû au gel du béton. En outre, une trop grande quantité d’eau entraînera la formation de pores plus larges dans le béton pendant le processus de durcissement, ce qui réduira la densité du béton et affaiblira encore sa résistance au gel.
Outre le rapport eau-ciment, la qualité et la granulométrie des granulats ont également un impact significatif sur la résistance au gel du béton. Les granulats forment le squelette du béton, et leur qualité et leur granulométrie ont une incidence directe sur la densité et la résistance du béton. Si les granulats contiennent trop d’argile, les particules d’argile rempliront les espaces entre les granulats, ce qui non seulement réduira la liaison entre les granulats et la pâte de ciment, mais augmentera également la porosité du béton, offrant ainsi plus d’espace à l’eau pour s’accumuler et geler. Lorsque la distribution granulométrique des granulats est mauvaise, les granulats ne peuvent pas former une structure d’empilement compacte, ce qui entraîne une augmentation des vides à l’intérieur du béton et rend le béton plus vulnérable aux dommages causés par le gel.
(4) Techniques de construction inappropriées
Pendant la construction du béton, chaque maillon de l’opération est comme le maillon d’une chaîne. Un mauvais fonctionnement de l’un des maillons peut devenir un danger caché qui déclenche des dégâts dus au gel du béton. Les mesures d’isolation après le coulage du béton sont une étape clé pour garantir que le béton durcit correctement dans des environnements à basse température. Si le béton n’est pas recouvert et isolé à temps après le coulage, il échangera rapidement de la chaleur avec l’environnement extérieur froid, ce qui entraînera une chute brutale de la température de surface du béton.
Avant que le béton n’atteigne une certaine résistance, sa structure interne n’est pas encore suffisamment stable. S’il est exposé à un environnement froid, l’eau contenue dans le béton gèlera plus facilement, ce qui provoquera un soulèvement dû au gel et déclenchera des dommages dus au gel. En outre, le processus de vibration du béton est crucial pour garantir la compacité du béton. Si le béton n’est pas vibré de manière dense, il y aura plus de vides à l’intérieur du béton. Ces vides deviendront des endroits où l’eau s’accumulera dans les environnements à basse température. Une fois que l’eau gèle, l’expansion du volume comprime la structure du béton environnante, causant des dommages dus au soulèvement par le gel et réduisant la qualité globale et la résistance au gel du béton.
(5) L’influence des facteurs environnementaux
Les facteurs environnementaux sont des déclencheurs externes des dommages causés par le gel du béton, parmi lesquels l’amplitude et la durée des changements de température ambiante ont l’impact le plus direct et le plus significatif sur les dommages causés par le gel du béton. Lorsque la température ambiante chute soudainement, l’eau contenue dans le béton ne peut pas migrer à temps vers l’environnement en raison de la conduction thermique et du gradient de température, et gèle rapidement sur place. Ce processus de congélation rapide génère d’importantes contraintes d’expansion, car l’eau passe de l’état liquide à l’état solide en peu de temps, et il n’y a pas assez d’espace et de temps pour que le changement radical de volume libère la contrainte, ce qui a un impact important sur la structure interne du béton.
Les cycles répétés de gel-dégel sont également un facteur important dans l’accélération de la détérioration du béton. Au cours de chaque cycle de gel-dégel, l’eau contenue dans le béton subit deux processus : le gel et la fonte. La tension causée par l’expansion du volume pendant le gel peut entraîner la formation de microfissures à l’intérieur du béton. Lorsque l’eau fond, elle remplit ces fissures, et lorsqu’elle gèle à nouveau, les fissures s’agrandissent encore. Après de nombreux cycles de gel-dégel, ces microfissures se connectent progressivement les unes aux autres pour former des macrofissures, ce qui réduit considérablement la résistance et la durabilité du béton.
En outre, des facteurs environnementaux tels que l’humidité de l’air et la vitesse du vent influencent également le degré d’endommagement du béton par le gel. Lorsque l’air est humide, le béton absorbe davantage d’eau du milieu environnant, ce qui rend la teneur en humidité du béton relativement élevée et le rend plus susceptible de subir des dégâts dus au gel à basse température. Lorsque la vitesse du vent est élevée, elle accélère l’évaporation de l’eau à la surface du béton et la perte de chaleur, ce qui entraîne une baisse rapide de la température de la surface du béton, réduit la résistance au gel de la surface du béton et augmente le risque de dommages causés par le gel à la surface du béton.
