Sur le littoral, l’enrobage et le béton protègent la barre davantage que l’acier lui-même

8.1 L’acier noyé dans le béton est protégé par la chimie tant que l’enrobage n’est pas franchi

Le béton frais est fortement alcalin. Dans ce milieu, un mince film d’oxyde stable se forme à la surface de l’acier et le protège : la barre est passive. Deux processus détruisent cette protection. La carbonatation : le dioxyde de carbone de l’air diffuse dans le béton et en abaisse progressivement l’alcalinité ; lorsque le front de carbonatation atteint la barre, le film passif disparaît sur une large surface. Les chlorures, provenant des embruns, de l’eau de mer, de sables ou de granulats contaminés ou de certains adjuvants, diffusent vers l’intérieur et, dès que leur concentration au contact de la barre dépasse un seuil, rompent localement le film passif et provoquent une corrosion par piqûres.

Une fois le film disparu, et en présence d’humidité et d’oxygène, l’acier se corrode. La rouille occupe un volume plusieurs fois supérieur à celui de l’acier qu’elle remplace ; elle fait donc éclater l’enrobage : d’abord une fissure le long de la barre, puis un épaufrement, puis des barres à nu dont la section diminue. La durée de service d’un élément en béton armé est généralement décrite en deux phases, selon le modèle proposé par Tuutti : une période d’amorçage, pendant laquelle la carbonatation ou les chlorures traversent l’enrobage jusqu’à la barre, et une période de propagation, pendant laquelle la corrosion progresse jusqu’à ce que la fissuration, l’épaufrement et la perte de section deviennent inacceptables [S65].

Source : schéma de Cameroon Steel, d’après le modèle de durée de service en deux phases de Tuutti [S65].

Ce modèle explique pourquoi la durabilité se joue bien avant l’apparition de la moindre rouille. La durée de la période d’amorçage dépend presque entièrement de deux paramètres que maîtrisent le concepteur et le constructeur : l’épaisseur de l’enrobage et la difficulté qu’ont le dioxyde de carbone et les chlorures à pénétrer dans le béton. La qualité propre de l’acier compte aussi, mais surtout d’une autre manière : une barre trop légère ou fragile dès l’origine dispose d’une marge moindre à perdre lorsque la corrosion commence.

8.2 Le climat côtier est agressif tous les mois de l’année

L’acier se corrode le plus vite lorsque sa surface est humide. La pratique internationale, codifiée dans l’ISO 9223, mesure la « durée d’humectation » comme le temps pendant lequel l’humidité relative dépasse 80 % à une température supérieure à 0 °C [S47]. Selon ce critère, le littoral camerounais est humide presque toute l’année. La climatologie modélisée pour la période de 1991 à 2020 donne une humidité relative moyenne de 89 % à Kribi et de 88 % à Douala, sans aucun mois inférieur à 80 % à Kribi ; Yaoundé affiche en moyenne 86 %, tandis que Garoua, dans le Nord sec, affiche 53 % avec une longue saison sèche [S50]. Les relevés de la station de Kribi indiquent des maxima journaliers de 92 % à 96 %, des minima journaliers de 70 % à 78 % et des précipitations annuelles d’environ 2 836 mm [S51]. Des températures moyennes d’environ 26 °C dans les deux villes côtières [S50] accélèrent tous les processus chimiques en jeu.

Source : climatologie NASA POWER de 1991 à 2020, modélisée à l’emplacement de chaque ville [S50] ; seuil tiré de l’ISO 9223 [S47].

L’ISO 9223 classe la corrosivité des atmosphères de C1 (très faible) à CX (extrême) d’après la perte par corrosion, au cours de la première année, d’échantillons métalliques de référence ; pour l’acier au carbone, la perte annuelle est inférieure à environ 1,3 µm en C1, de 50 à 80 µm en C4 et de 80 à 200 µm en C5 [S47]. Les sites côtiers exposés aux embruns relèvent couramment des catégories élevées. Il n’existe aucune carte publiée de corrosivité mesurée pour le littoral camerounais, et le présent livre blanc n’attribue de catégorie à aucun site (voir le chapitre consacré aux lacunes de connaissance). On peut toutefois affirmer que la combinaison d’une humidité permanente, de la chaleur et des sels marins transportés par l’air place les bâtiments proches de la mer dans les classes d’exposition les plus exigeantes des codes de calcul.

La catégorie atmosphérique importe pour l’acier exposé, comme les barres stockées sur le chantier dans l’attente de leur mise en œuvre ou les armatures en attente qui dépassent d’une dalle pendant des mois. Pour les barres noyées dans le béton, la classification pertinente est la classe d’exposition du béton, examinée ci-après.

8.3 L’Eurocode 2 et l’EN 206 fixent l’enrobage et la qualité du béton selon la classe d’exposition

La pratique européenne rattache la durabilité à un petit nombre de classes d’exposition définies dans l’EN 206 et utilisées par l’Eurocode 2 [S36][S37]. Pour la corrosion des armatures, les plus importantes sont XC (corrosion induite par carbonatation, en quatre niveaux allant de sec à alternativement humide et sec), XD (chlorures ayant une origine autre que marine) et XS (chlorures présents dans l’eau de mer) : XS1 pour les structures exposées aux sels marins transportés par l’air mais pas en contact direct avec l’eau de mer, XS2 pour les parties immergées en permanence et XS3 pour les zones de marnage, d’éclaboussures et d’embruns [S36][S37].

Pour chaque classe, l’Eurocode 2 donne un enrobage minimal vis-à-vis de la durabilité et l’EN 206 recommande des valeurs limites pour le béton. Le tableau résume les valeurs recommandées pour une durée d’utilisation de projet de 50 ans (classe structurale S4) ; les annexes nationales peuvent les modifier, et l’existence d’une annexe nationale camerounaise à l’Eurocode 2 n’a pas pu être confirmée à partir des sources publiques (voir le chapitre consacré aux lacunes de connaissance).

Tableau 8.1 Enrobage minimal recommandé et limites applicables au béton selon la classe d’exposition (Eurocode 2 et EN 206, valeurs recommandées)

Source : tableau 4.4N de l’EN 1992-1-1 (classe structurale S4) et tolérance d’exécution Δcdev recommandée de 10 mm [S36] ; valeurs limites recommandées de l’annexe F de l’EN 206 [S37]. Valeurs recommandées ; l’enrobage doit en outre être au moins égal au diamètre de la barre pour l’adhérence, et les dispositions nationales peuvent différer.

Les anciennes règles françaises de béton armé, le BAEL 91, qui ont façonné la formation de nombreux ingénieurs en Afrique francophone, retiennent le même ordre de grandeur : 5 cm d’enrobage pour les ouvrages à la mer ou exposés aux embruns, 3 cm pour les parois exposées aux intempéries ou aux condensations [S82]. Quel que soit le code employé, le message est constant : à proximité de la mer, le béton de structure exige un enrobage d’environ 45 mm ou plus et un béton compact à faible rapport eau/ciment.

8.4 L’enrobage se perd sur le chantier, pas au bureau d’études

Dans les bâtiments côtiers, les défauts de durabilité commencent rarement par une erreur de chiffre sur un plan. Ils commencent sur le chantier, de cinq manières :

• Absence de cales d’enrobage. Des barres posées sur le coffrage ou sur des pierres finissent avec 10 mm d’enrobage ou moins, quoi qu’indique le plan. Des cales en béton ou en plastique prévues à cet effet, fixées à faible espacement, constituent la mesure de durabilité la moins coûteuse qui soit.
• Eau ajoutée pour la maniabilité. Le béton gâché sur chantier est souvent rendu plus fluide pour pouvoir être mis en place à la main. Chaque litre d’eau supplémentaire relève le rapport eau/ciment et la perméabilité de l’enrobage.
• Vibration insuffisante. Un béton présentant des nids de cailloux autour des barres n’offre presque aucune protection.
• Absence de cure. Par temps chaud et venteux, la couche superficielle sèche avant que le ciment ait pu s’hydrater, ce qui fait des 20 à 30 mm extérieurs, c’est-à-dire de l’enrobage lui-même, la partie la plus poreuse de l’élément.
• Matériaux contaminés. Du sable de plage non lavé ou de l’eau de mer utilisés pour le gâchage apportent des chlorures directement au contact de la barre dès le premier jour.

L’effet de l’enrobage et de la qualité du béton sur le délai avant l’amorçage de la corrosion est fortement non linéaire. Un modèle de diffusion simple, avec des paramètres supposés mais plausibles, en montre l’allure : le délai d’amorçage croît comme le carré de l’enrobage, si bien que doubler l’enrobage le multiplie à peu près par quatre, et un béton compact contenant des additions minérales peut encore le multiplier par trois ou plus par rapport à un béton courant.

Source : calcul de Cameroon Steel selon la seconde loi de Fick, avec des coefficients de diffusion constants, une teneur en chlorures en surface de 1,5 % et un seuil critique de chlorures de 0,4 % de la masse de liant (hypothèses, annexe A). Illustre uniquement des tendances ; il ne s’agit pas d’une méthode de calcul.

Les valeurs absolues de la figure dépendent des hypothèses et ne doivent pas servir au calcul ; les coefficients de diffusion réels diminuent avec le temps à mesure que le béton mûrit, ce qui allonge les durées indiquées. Les effets relatifs sont robustes, et ils sont importants. Ils expliquent aussi une observation faite après l’effondrement de juillet 2023 à Douala, où des riverains ont décrit des fers d’armature à nu et rouillés sur le bâtiment avant sa chute [S20] : les coulures de rouille et l’épaufrement sont l’aboutissement visible d’un processus qui avait commencé des années plus tôt, avec un enrobage insuffisant ou un béton perméable.

8.5 Six règles pratiques protègent les armatures sur les chantiers côtiers

Traduites en pratique de chantier, les exigences de durabilité se ramènent à six règles que toute entreprise peut appliquer :

1. Fixer des cales d’enrobage en béton ou en plastique, de l’épaisseur de l’enrobage prescrit, à faible espacement sous les barres inférieures et contre les coffrages latéraux, et les ligaturer pour qu’elles restent en place pendant le bétonnage.
2. Vérifier l’enrobage avant chaque coulage à l’aide d’un réglet en un échantillon de points, et corriger toute barre qui repose sur le coffrage ; après décoffrage, un détecteur d’armatures (pachomètre) peut confirmer le résultat sur les éléments critiques.
3. Respecter le rapport eau/ciment : gâcher ou commander le béton selon la formule prescrite et ne pas ajouter d’eau au moment du coulage ; lorsque la maniabilité l’exige, utiliser un adjuvant plastifiant plutôt que de l’eau.
4. Utiliser des matériaux propres : uniquement du sable lavé et de l’eau douce, jamais d’eau de mer ni de sable de plage non lavé, qui apportent des chlorures directement au contact de la barre.
5. Assurer la cure du béton : maintenir les surfaces exposées humides ou couvertes pendant plusieurs jours après le coulage, plus longtemps par temps chaud et venteux, afin que l’enrobage, cette couche extérieure qui protège l’acier, ne soit pas la partie la plus poreuse de l’élément.
6. Protéger l’acier en attente : les armatures en attente et les barres stockées près de la mer devraient être protégées ou débarrassées de la rouille non adhérente avant d’être noyées dans le béton, et les stocks tenus hors sol et à l’abri.

L’entretien complète le dispositif. Les fissures le long des barres, les traces de rouille et les épaufrures sont des signes précoces ; les réparer sans tarder, en éliminant le béton contaminé ou carbonaté autour de la barre, en nettoyant l’acier et en reconstituant l’enrobage avec un mortier de réparation adapté, coûte bien moins cher que de remplacer plus tard un élément corrodé.

8.6 Les revêtements et l’acier inoxydable sont réservés aux expositions les plus sévères

Lorsque l’enrobage et la qualité du béton ne suffisent pas à eux seuls à assurer une protection suffisante, ou lorsque les conséquences de la corrosion seraient graves, la barre elle-même peut être protégée. Chaque option a ses coûts et ses conditions.

Tableau 8.2 Options de protection des armatures en environnement agressif

Source : [S36][S37] pour l’enrobage et le béton ; [S58][S59][S60] pour les barres revêtues et inoxydables. Synthèse qualitative.

Pour la plupart des bâtiments, les deux premières lignes constituent la bonne réponse. Les barres revêtues et inoxydables sont des outils coûteux destinés à des problèmes particuliers, et une barre revêtue mise en place avec 15 mm d’enrobage dans un béton poreux n’offre guère plus de protection qu’une barre ordinaire.

8.7 La qualité des ronds à béton et la durabilité interagissent de trois manières

La qualité propre de l’acier compte néanmoins pour la durabilité, pour trois raisons.

Réserve de section. La corrosion enlève de l’acier. Une barre trop légère de 10 % à la livraison atteint 10 % plus tôt toute perte de section critique. Les marges de durabilité et les tolérances sur la masse sont une seule et même marge, vue des deux extrémités de la vie d’un bâtiment.

Ductilité après corrosion. Les piqûres n’enlèvent pas seulement de la section ; elles concentrent les déformations, si bien que les barres corrodées perdent leur ductilité plus vite que leur résistance. Les recherches sur les barres corrodées, y compris les barres trempées et autorevenues, ont documenté ce comportement et comparé les types d’acier [S49]. Une barre qui part d’une bonne ductilité conserve une marge utile après une certaine corrosion ; une barre qui en a peu au départ peut devenir fragile.

État à la livraison. Les barres qui arrivent fortement rouillées ou piquées, ou qui ont été stockées des mois près de la mer, commencent leur vie avec des dommages. Le contrôle à la brosse métallique et par pesée décrit dans le chapitre consacré aux défauts s’applique ici, et les règles de stockage prévues dans les spécifications comptent davantage sur le littoral que partout ailleurs.