La durabilité à très long terme des bétons : entre utopie et nécessité…

Carte blanche à Bernard Thuret

 

news_letter13_thuret5Bernard Thuret, physico-chimiste, est l’un des fondateurs du LERM.

 

LERM
Dans notre précédente lettre d’information, nous avons souligné que, dans le cadre d’une problématique de développement durable, l’atout majeur du béton était sa durabilité en tant que matériau… On construit aujourd’hui des ouvrages dont la durée de service spécifiée est de 120, voire 150 ans. Indépendamment de la fonctionnalité de la structure dans laquelle il est mis en œuvre, quelle peut-être la durée de vie du matériau béton ? Et quelles sont les étapes majeures de sa dégradation ?

Bernard Thuret
Votre question distingue implicitement la durabilité du matériau de celle de la structure dans laquelle il est engagé. Les caractéristiques de structure ont été déterminées par une fonctionnalité attendue et c’est la satisfaction de cette attente qui prévaut dans la majeure partie des cas comme critère d’appréciation de la durabilité d’un « ouvrage béton ».

Cependant vous avez raison : le matériau survit à l’ouvrage mais désormais son observation devient problématique et il faut bien reconnaître qu’elle perd de son intérêt. Il n’est donc pas surprenant que les caractéristiques de cette période de survie du béton soient moins bien connues que celles de sa période  »d’activité » mais cette connaissance reste essentielle si l’on s’intéresse aux interactions physico-chimiques du matériau avec l’environnement et aux échanges qui les accompagnent.

Le problème du stockage des déchets nucléaires a depuis plus d’une vingtaine d’années mobilisé la recherche pour la connaissance du comportement jusqu’à très long terme du béton et le LERM a contribué, depuis sa création et même avant pour certains de ses membres, aux nombreuses réflexions que cela a suscité.
C’est ce domaine que je vous propose de privilégier maintenant, domaine où l’on dispose délibérément la structure en béton autant que faire se peut à l’abri des contraintes mécaniques et des agressions chimiques de l’environnement… mais sans oublier, néanmoins, les accidents géologiques, ou d’origine humaine exceptionnels.
Le champ des applications de ces recherches qui, du point de vue temporel, se chiffre en centaines de milliers d’années n’est d’ailleurs pas forcément limité au stockage des déchets nucléaires.

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crédit CEA

 

LERM
On emploie le terme de durée de vie d’un béton. Quelles sont les dynamiques observées de son vieillissement au cours de sa vie ?

Bernard Thuret
Vaste question dont la deuxième partie m’invite à revenir sur le cours complet de la « vie du matériau » et d’en distinguer des étapes.

Tout d’abord la notion de vie ( »propriété essentielle des êtres organisés qui évoluent de la naissance à la mort en remplissant des fonctions qui leur sont communes » dixit Robert) nécessite d’être précisée par qui l’emploie s’agissant d’un matériau.

L’instant de l’issue de la bétonnière servira de date de naissance du béton et je dirais que sa vie est l’histoire de toutes ses transformations ultérieures ou, si vous voulez, les dynamiques observées de son vieillissement.
Ces transformations sont induites par deux types d’agressions bien distinctes : les contraintes mécaniques et les altérations chimiques d’origine endogène ou exogène essentiellement les fluides, gaz et eaux pour ces dernières. Tous les types d’agression sont simultanés et agissent en synergie : les fissures et microfissures, écaillages, induits par les contraintes mécaniques, directes ou indirectes (variations climatiques) accroissent considérablement la perméabilité et les phénomènes de transport et de dissolution précipitations qui facilitent à leur tour les processus de dégradation d’origine mécanique. Permettez moi de ne pas insister sur les facteurs de vieillissements qui se produisent durant la période  »adulte » des ouvrages où ils remplissent des fonctions classiques généralement prévues pour une durée de l’ordre d’une centaine d’années. Cette question a été fréquemment traitée dans le cadre de cette lettre d’information.

Pour distinguer des étapes dans le cursus de  »la vie du matériau », j’aurais la double audace de recourir à la comparaison convenue, mais difficilement contournable des périodes de certains êtres vivants…que nous devrions bien connaître, et à Monsieur Jourdain… et la réponse est :

Premier âge : la tendre enfance douée de maniabilité
Deuxième âge : celui de l’acquisition des forces
Troisième âge : l’âge adulte de l’accomplissement correcte des fonctions
Quatrième âge : la suite : une activité spécifique avec des moyens spécifiques tenant compte d’aptitudes modifiées par l’usage et l’usure du temps. Période qui précède un grand saut dans l’inconnu. Inconnu sur lequel un individu privilégié (ou protégé) aura le loisir de méditer quelques temps…. avant d’entrevoir l’éternité…qui nous ramène presque à nos moutons de la durabilité à très long terme.

Toutes ces plaisanteries ne sont peut-être pas dignes du bon goût légendaire du LERM !

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L’instant de l’issue de la bétonnière servira de date de naissance du béton

 

LERM
Pour poursuivre dans la plaisanterie, qu’est ce que, in fine, définirait la mort d’un béton ?

Bernard Thuret
Ah bien joué ! Vous avez bien observé que je me suis bien gardé d’essayer de parler de mort d’un béton. Je persiste et signe, pourquoi ?

Vais-je publier un acte de décès parce que je ne suis plus capable d’observer le supposé défunt? Pourtant cela me faciliterait bien les choses pour dresser un bilan de sa vie, voire des services rendus.

Les échanges avec l’environnement sont à la fois causes et conséquences de la dégradation du béton. Les fluides, gaz et principalement l’eau, sont les vecteurs de ces échanges, ils ne s’arrêtent jamais. Leur bilan est toujours provisoire et doit mentionner comme tout bilan les dates des deux limites d’observation.
Cette dernière remarque ne semble pas toujours aller de soi si l’on examine l’ensemble des opérations de communication des médias concernant la protection de l’environnement.

…Et pour ne pas rester sans voix face à votre question, je dirais que, même si je m’en sentais capable, je m’interdirais de répondre !

Je ne manifesterais pas la même attitude concernant un ouvrage. Dans le cas du génie civil, si l’ouvrage n’est plus apte à la fonction qui lui est assignée, il est déclassé. Mais, plus généralement, on pourrait considérer comme défunte une structure qui ne serait plus identifiable par les procédés de l’analyse immédiate tout en considérant que ses constituants matériels continuent d’échanger avec l’environnement et ce faisant, je leur reconnaitrais une vitalité d’un caractère nouveau.

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Les échanges avec l’environnement sont à la fois causes et conséquences de la dégradation du béton

 

LERM
Quelles sont les propriétés du béton qui l’ont amené à être utilisé comme enveloppe de colis de déchets ou comme stabilisant de polluants.

Bernard Thuret
Nous rejoignons ici l’aspect multiforme de la vie du béton. Depuis le coulis du premier âge qui autorise l’enrobage des déchets solides, aussi bien que la stabilisation mécanique des boues, jusqu’à la mise en place en enceinte solide en profitant de la propriété tout a fait exceptionnelle que possèdent les bétons et mortiers de passer à l’état durci en conservant une stabilité remarquable de volume apparent (sous réserve d’évitement de sa dessiccation) qui réduit ainsi les risques de contraintes mécaniques contenu/contenant.

Si l’on tient compte, en outre, de la réserve alcaline importante assurée par les pâtes de ciments Portland qui permet la précipitation de nombreux sels polluants (nombre de métaux lourds, Pb et autres) ce sont ces propriétés réunies qui autorisent la réalisation de colis adaptés à différents types de déchets complexes.
Il faut bien reconnaître que nous bénéficions d’une conjonction de propriétés quelque peu providentielles si ces dernières sont exploitées à bon escient, c’est-à-dire en résistant aux tentations d’extensions d’exploitations abusives.

LERM
Nous avons vu que les échanges avec l’environnement (gaz, eau) sont des facteurs de dégradation du béton.
N’y a-t-il pas un paradoxe à utiliser comme barrière environnementale un matériau, qui, précisément, est… poreux?

Bernard Thuret
S’agissant du béton, l’image de la barrière se rapprocherait beaucoup plus du filtre catalytique ou adsorbant spécifique que de la passoire. La fraction poreuse du volume des bétons : pâte de ciment et interface pâte granulats peut être rendue fort peu perméable (cas extrême des BHP) Il faut avoir présent à l’esprit l’incroyable tortuosité de la structure de la pâte de ciment, un véritable labyrinthe de pores parfois fermés ou communiquant entre eux par des voies étroites de très petites dimensions, voisines de paquets de quelques centaines de molécules pour les plus petites, d’où l’étendue et l’importance des surfaces des parois des pores.

Pour illustrer ce propos par une image quantifiable, quoique irréaliste : selon un modèle de pores cylindriques, le calcul conduit à la vision du volume d’un seul millilitre de pâte pure de ciment sous l’aspect d’un amas de pores  »en vermicelles » de longueur totale s’évaluant en centaine de milliers de kilomètres présentant une surface de parois de plusieurs dizaines de mètres carrés.

Il faut donc tenir compte des phénomènes d’adsorption/désorption, de bouchage/débouchage des pores par condensation/vaporisation d’eau, ce qui doit être rapproché de l’observation selon laquelle la lixiviation n’est pas le facteur primordial de la cinétique de vieillissement, sachant qu’en absence de déplacement des fluides, il y a transports par diffusion en raison de gradients de concentration dans la phase liquide de cet espace.

LERM
L’utilisation environnementale du béton ne nous mène-t-elle pas à des perspectives de durée de vie qui excèdent largement celles des durées de service des ouvrages en béton ?

Bernard Thuret
Merci de recadrer le sujet, c’est bien là où nous voulons en venir. J’oserai répondre par l’affirmative, en tous cas pour la très grande majorité des services attendus de ce matériau dans le présent.

LERM
De quels services s’agit-il ?

Bernard Thuret
Prenons le principal consommateur de béton : le bâtiment. Sa fonction est de rassembler, loger et protéger hommes, animaux et objets. Qualitativement il semble que l’on peut dire que la maîtrise des techniques actuelles permet d’assurer le service attendu pour des durées inégalées dans le passé.

Des exemples, non exemplaires, sont déjà apparus où la vie d’ouvrages a été volontairement abrégée. Ces exemples sont rares, mais ils existent et la décision de destruction ne relevait souvent pas d’un seul souci technique lié à la durabilité du matériau béton.

Par ailleurs des matériaux durables ont été employés pour les possibilités architecturales qu’autorisaient leurs performances mécaniques, mais pas forcément pour les performances en matière de durabilité qui les accompagnent.
Autres raisons : coût, esthétique, interrogation sur les politiques d’urbanisation, menaces de nouvelles contraintes climatiques, éventualités de nécessité de transferts massifs de populations et émergence de futures contraintes encore insoupçonnées font apparaître que le souhait de pérennité peut avoir des limites dans le domaine de l’habitat, et même présenter des inconvénients.

Revenant aux exigences de durabilité à très long terme (centaines de milliers d’années) objectivement quantifiables (période de décroissance radioactive) dans le domaine du confinement des matériaux nucléaires, l’obligation de tenir compte de risques considérés comme peu probables à l’échelle de temps d’un nombre même considérable de générations humaines, conduit à la nécessité de prise en compte de la notion de gestion du risque.
Dans ces domaines, les institutions assurées de leur pérennité comme celles du nucléaire, apparaissent comme privilégiées pour développer une stratégie à long terme et imposer des solutions irréversibles, qui s’opposent aux conceptions de développement durable et de recyclage. Face à ces motifs d’incertitudes dont la liste précédente est loin d’être exhaustive, l’indécision et le temps peuvent apparaître comme une ressource d’action pour étudier et dégager des solutions nouvelles et permettre aux politiques de reprendre la main aux experts.

Les prises de conscience qui sont nées de ces préoccupations actuelles et durables conduisent naturellement les experts et chercheurs conscients de leur limite à faire appel à des collectifs interdisciplinaires.

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Des exemples, non exemplaires, sont déjà apparus où la vie d’ouvrages a été volontairement abrégée

 

LERM
Les demandes de durabilité extrêmes serait donc selon vous limitées à des domaines spécialisés tels que confinement des toxiques ou autres à intérêt prospectif ?

Bernard Thuret
Oui c’est un peu ce que je pense, car je n’imagine pas que l’on pourrait exiger de telles performances de durabilité pour des raisons autres que de protection de dangers particulièrement graves et…durables, précisément.
Ceci induit que les performances recherchées ne pourraient être réalisées que dans des zones géographiques à la fois à l’abri de menaces catastrophiques et classiques et les réalisations implantées dans des lieux éloignés de zones habitées.
Pourtant les progrès réalisés peuvent aussi conduire à des résultats différents des situations envisagées quelques instants plus tôt. Ce sera le cas par exemple si l’on cherche à utiliser à plein l’amélioration des autres performances qui accompagnent celle de la durabilité dans des réalisations audacieuses d’utilisations classiques du BTP et qui auraient pour conséquence d’admettre que le matériau puisse être soumis à des conditions de contraintes ou environnementales d’autant plus sévères.

Au total on perçoit que le champ des problèmes à résoudre risque de ne pas se rétrécir au contraire… Mais ce qui apparaît certain, c’est que la recherche des solutions exigera de balayer un champ d’investigation qualitativement beaucoup plus large et aussi d’envisager pour les très long termes des ordres non classiques de succession de phénomènes et l’émergence de contraintes physico-chimiques supplémentaires ignorées jusqu’alors.

A titre d’exemple caricatural, et dans le domaine du comportement dans le quatrième âge du béton, la prévision des effets délétères de l’alcali-réaction devrait, compte tenu de la modification de l’échelle des temps considérée, envisager la possibilité que les granulats siliceux potentiellement réactifs finissent par manifester cette potentialité, et peut être aussi l’ensemble des granulats siliceux. Dans ce cas la lixiviation des alcalins pourrait avoir éliminé un des réactifs de cette réaction avant que ne se produise cette éventualité. Il faudrait alors s’interroger sur la possibilité de substitution d’une réaction calco-hydroxylique à l’alcali-réaction.

LERM
Avons-nous les moyens méthodologiques et techniques de nous situer dans de telles perspectives de temps ?

Bernard Thuret
L’exercice de prévision de la durée d’utilisation satisfaisante d’un matériau présente bien des analogies avec l’estimation de l’espérance de vie d’un être humain. Pour ce faire les statisticiens distinguent des catégories socio-professionnelles, tiennent compte des antécédents, des conditions de vie, de leur environnement climatique et sanitaire et de bien d’autres informations. C’est bien à partir d’une analyse de données expérimentales accumulées dans le temps qu’ils peuvent apporter des réponses diversifiées et pertinentes.

On distingue deux catégories d’informations, celles qui caractérisent l’individu et celles qui caractérisent son environnement au sens large.
Pour un matériau, il est clair que la validité de la prédiction de sa durée probable d’utilisation sera à la mesure de la valeur du stock de données semblables acquises dans le passé et dont le résultat est connu.

Compte tenu

– de l’expérience acquise sur les pathologies de bétons divers et bien identifiés,
– des progrès de modélisations validées par observation d’analogues anciens ou archéologiques
– des performances de l’instrumentation pour l’observation micro et son interprétation
en termes de propriétés macroscopiques
– de l’état des connaissances sur les mécanismes de vieillissement du béton dans des structures actuelles fortement altérées,
– et aussi des progrès dans la composition et la mise en œuvre des bétons actuels…

Je pense que l’on peut répondre affirmativement à votre question sans trop de risques… en limitant la portée à 2 à 4 fois les limites actuelles. Soit 400 ans ?…

A l’autre extrémité des ambitions envisagées (les centaines de milliers d’années), nous entrons dans un tout autre domaine ou il faudrait être en mesure de considérer comme normalement prévisibles des phénomènes classés comme improbables dans le présent.

Le problème de la conception et de la réalisation d’un matériau satisfaisant à base d’une formulation spécialisée ne me parait pas hors de portée, compte tenu des perspectives offertes par les bétons surdosés très compacts développés actuellement même si l’expérience de leur vieillissement fait encore défaut. Des points faibles comme leur susceptibilité à la microfissuration peuvent se révéler dans l’avenir, mais ils possèdent sans doute des capacités d’autoréparation compensatrices. Le problème me semble plutôt résider ailleurs : la mise en place en environnement lui-même protecteur indispensable pour rendre effective la durabilité potentielle du matériau, ce qui revient à dire que le questionnement me semble se situer au niveau de la réalisation et aussi de la conception de la barrière ouvragée.
Nous avons vu que des communautés interdisciplinaires cherchent à se doter des moyens de faire avancer cette problématique, polluée par cette interrogation essentielle complémentaire : peut on confiner une menace déjà dispersée ou diffuse par nature ?

 

Quelques lectures complémentaires

 

La Durabilité des bétons. Bases scientifiques pour la formulation de bétons durables dans leur environnement, sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot. Presses de l’Ecole nationale des Ponts et chaussées. 2008.

Progression dans les connaissances sur les phénomènes d’alcali-réaction. Etat des connaissances sur les mécanismes physico-chimiques d’alcali-réaction à travers les derniers colloques, congrès et publications.
Journée d’étude AFPC-ITBTP, 6 octobre 1992 H.HORNAIN

Effect of the leaching of calcium hydroxide from cement paste on mechanical and physical properties
Cement and Concrete Research, vol. 27, n°4, pp. 539 – 550 (1997). – C.CARDE, R. FRANCOIS

Durabilité des bétons. Les analogues anciens et l’analyse inverse
Journées Scientifiques et Techniques Mécaniques & Matériaux, « Durabilité des Matériaux de Structures », 3 et 4 nov. 1997, Nabeul, Tunisie

Les analogues anciens et l’analyse inverse pour la durabilité des bétons
Revue Française de Génie Civil, vol. 2, n°3, pp. 341 – 352. – JP. BOURNAZEL, F. BOUTIN, N. RAFAÏ (1998)

Le Pouvoir d’indécision. La mise en politique des déchets nucléaires. Yannick Barthe. Paris, Economica, 2006.

Et la conférence RILEM : Long Term Performance of Cementitious Barriers and Reinforced Concrete in Nuclear Power Plants and Waste Management
30 mars – 2 avril 2009, Cadarache