Entre 1930 et 2019, le béton de ciment a absorbé 21,02 gigatonnes de dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère[s]. Cela semble une bonne nouvelle pour le climat, et ça l’est effectivement en soi. Mais cette absorption a un prix : la même réaction chimique qui extrait le CO₂ de l’air peut aussi entraîner une détérioration à long terme du béton armé. Comprendre la corrosion par carbonatation du béton est essentiel pour saisir pourquoi les ponts se fissurent, les parkings s’effritent et les budgets d’infrastructure s’envolent.
La chimie est simple au départ. Le béton frais est très alcalin, avec un pH compris entre 12 et 13[s]. Cette alcalinité crée une fine pellicule protectrice autour des armatures en acier intégrées, les préservant de la rouille. Le problème, c’est que le CO₂ atmosphérique pénètre progressivement dans le béton et réagit avec l’hydroxyde de calcium de la matrice cimentaire, formant du carbonate de calcium. Cette réaction, appelée carbonatation, fait chuter le pH aux alentours de 9[s]. Une fois ce seuil franchi, la couche protectrice autour de l’acier devient instable, et la corrosion s’amorce.
Le processus de corrosion par carbonatation du béton
La carbonatation est un phénomène lent et continu, dont l’intensité dépend des conditions environnementales. Les taux de carbonatation les plus élevés surviennent lorsque le béton est exposé à un air dont l’humidité relative se situe entre 55 % et 75 %[s]. Trop sec, le CO₂ ne peut pas se dissoudre dans l’eau des pores pour réagir ; trop humide, les pores saturés bloquent la pénétration du CO₂. Cette plage intermédiaire pose un véritable défi de durabilité, car elle offre à la fois l’eau nécessaire à la réaction et des voies de passage pour le CO₂.
Une fois que le front de carbonatation atteint les armatures, la corrosion démarre si suffisamment d’humidité et d’oxygène sont présents[s]. La couche passive protectrice entourant l’acier se déstabilise lorsque le pH descend sous environ 11,4, bien que certaines sources évoquent des seuils aussi bas que 9,0, rendant l’acier vulnérable à la corrosion[s]. Les ingénieurs décrivent ce processus en deux phases : la dépassivation (la destruction de la couche protectrice) suivie de la propagation (la rouille active).
Les produits de corrosion sont à l’origine des dégâts visibles. Les oxydes de fer formés lors de la rouille occupent un volume plus important que l’acier d’origine. Cette expansion génère une pression interne dans le béton[s]. L’accumulation de cette pression provoque des fissures marquées, et finit par faire éclater des morceaux de béton en surface[s]. Les zones carbonatées des structures en béton peuvent entraîner la corrosion des armatures, causant des dommages physiques tels que des éclats et des fissures[s].
L’ampleur du problème
La principale cause de détérioration prématurée des structures en béton est la corrosion des armatures, liée à la carbonatation ou à la pénétration des chlorures[s]. Aux États-Unis, le rapport 2025 de l’ASCE sur les infrastructures recense 623 218 ponts, dont 6,8 % sont en mauvais état ; un rapport 2026 de la National Association of Manufacturers citant l’ARTBA indique que près de 42 % des ponts américains ont plus de 50 ans[s][s]. Nombre de ces ouvrages vieillissants ont été construits avant que les ingénieurs ne maîtrisent pleinement les mécanismes de corrosion par carbonatation du béton ou ne disposent d’outils pour en prédire la durée de vie.
Les méthodes de conception qui négligent la durabilité face à la carbonatation peuvent aboutir à des structures où le front de carbonatation atteint l’enrobage des armatures en 50 ans seulement, déclenchant la corrosion[s]. En réduisant l’alcalinité, la carbonatation favorise la corrosion de l’acier, les fissures et la perte de rigidité, compromettant ainsi la durabilité à long terme du béton armé[s].
Le dilemme du béton bas carbone
Les efforts modernes pour réduire l’empreinte carbone du béton ont créé une tension inattendue. Les matériaux cimentaires supplémentaires, comme le laitier, les cendres volantes et les ciments à base d’argile calcinée et de calcaire (LC3), réduisent considérablement les émissions de CO₂ lors de la production. Ils améliorent également la résistance à la pénétration des chlorures. Cependant, ces bétons bas carbone présentent généralement une résistance à la carbonatation inférieure à celle du béton traditionnel à base de ciment Portland[s].
Même lorsque le béton au laitier et le béton Portland atteignent la même résistance à la compression à 28 jours, le béton au laitier montre une résistance à la carbonatation plus faible[s]. La carbonatation du béton peut modifier ses caractéristiques de perméabilité dans des sens opposés selon le mélange : pour le béton à base de ciment Portland, la carbonatation densifie généralement la microstructure, tandis que les bétons contenant des matériaux cimentaires supplémentaires voient souvent leur perméabilité, leur sorptivité et leur conductivité électrique augmenter[s].
Cela pose un défi de conception. Utiliser la profondeur de carbonatation comme seul critère de durabilité est très conservateur, car la carbonatation n’équivaut pas directement à des dommages structurels[s]. Le déclenchement et la propagation de la corrosion dépendent de l’épaisseur de l’enrobage, des conditions d’humidité, de la structure des pores et de la chimie des pores, et non de la seule profondeur de carbonatation. Des normes plus strictes qui interdiraient simplement les liants bas carbone dans les environnements exposés à la carbonatation pourraient s’avérer excessivement restrictives sans véritablement protéger les structures.
Les facteurs déterminant la profondeur de carbonatation
L’analyse de 800 points de données expérimentales a identifié le temps de cure, la température et la teneur en fumée de silice comme des facteurs clés de la profondeur de carbonatation dans les bétons fibrés à ultra-haute performance[s]. Le rapport eau-ciment du béton joue également un rôle important : des rapports plus faibles produisent un béton plus dense, avec des pores plus petits, ralentissant ainsi l’avancée du front de carbonatation. L’épaisseur de l’enrobage, c’est-à-dire la couche de béton protégeant l’acier, constitue le principal rempart contre la corrosion par carbonatation atteignant les armatures.
La carbonatation imite l’altération naturelle des roches, un processus thermodynamiquement favorable qui a séquestré du carbone dans les minéraux pendant des milliards d’années[s]. Mais les produits carbonatés formés lors de la réaction peuvent obstruer les pores minéraux et recouvrir les surfaces, limitant ainsi la pénétration ultérieure du CO₂ et le lessivage des ions[s]. Ce comportement auto-limitant signifie que la carbonatation peut ralentir au fil du temps plutôt que de progresser à un rythme constant.
Solutions techniques
Se prémunir contre la corrosion par carbonatation du béton implique soit de ralentir la carbonatation, soit d’accepter sa progression tout en protégeant l’acier par d’autres moyens. Les revêtements de surface peuvent freiner la pénétration du CO₂. Augmenter l’épaisseur de l’enrobage donne au front de carbonatation une distance plus grande à parcourir. Les inhibiteurs de corrosion, mélangés au béton ou appliqués sur l’acier, peuvent retarder l’apparition de la rouille active, même après que la carbonatation ait atteint les armatures.
La protection cathodique offre un moyen d’arrêter la corrosion, même dans le béton carbonaté, en repassivant électriquement l’acier[s]. Cette technique a été utilisée avec succès sur des structures historiques où le retrait du béton carbonaté aurait nui à leur caractère. Elle nécessite une surveillance et une alimentation électrique continues, mais peut prolonger la durée de vie des ouvrages si elle est correctement entretenue.
La tension fondamentale persiste : la corrosion par carbonatation du béton est le prix lent que paient les structures pour la stabilité chimique qui rend le béton utile. La gérer exige de comprendre la chimie, de prédire son évolution et de concevoir pour la durabilité, plutôt que d’espérer que le problème reste invisible jusqu’à ce qu’il soit transmis à quelqu’un d’autre.
Entre 1930 et 2019, le béton de ciment a absorbé 21,02 gigatonnes de CO₂ par carbonatation naturelle[s]. Ce puits de carbone représente un aspect significatif, mais souvent négligé, du bilan carbone de l’industrie cimentière. Bien que thermodynamiquement favorable, la réaction de carbonatation peut déclencher une cascade de dégradation aboutissant à la corrosion des armatures en acier ; le RILEM identifie la corrosion des armatures liée à la carbonatation ou à la pénétration des chlorures comme la principale cause de détérioration prématurée des structures en béton[s].
Le béton frais à base de ciment Portland maintient un pH de la solution interstitielle compris entre 12 et 13, généré par l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) et les hydroxydes alcalins (NaOH, KOH)[s]. Cette alcalinité entretient une couche passive d’oxyde de fer à la surface des armatures. La carbonatation se produit lorsque le CO₂ atmosphérique diffuse dans le réseau poreux et réagit avec le Ca(OH)2 : Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O. La réaction consomme des ions hydroxydes, faisant chuter le pH aux alentours de 9[s].
Mécanismes moléculaires de la corrosion par carbonatation du béton
Des simulations récentes de dynamique moléculaire et des métadynamiques bien tempérées ont permis d’élucider les cinq étapes critiques de la minéralisation du CO₂ sur les surfaces de portlandite : adsorption de l’eau, dissolution du calcium, adsorption du CO₂, spéciation du CO₂ et appariement des ions CaCO3[s]. Les sites de défauts de type « kink » à la surface du minéral servent de principaux sites réactifs pour la dissolution du calcium, tandis que l’environnement acido-basique du film d’eau nanométrique module la cinétique de réaction[s].
Des conditions quasi neutres à légèrement basiques optimisent l’efficacité de la minéralisation en équilibrant les effets opposés du pH sur la dissolution du calcium et la spéciation du CO₂[s]. En milieu acide, la dissolution du Ca2+ s’accélère, mais le CO₂ reste principalement sous forme de CO₂ dissous plutôt que d’ions carbonate. En milieu très basique, les espèces carbonatées dominent, mais la dissolution du calcium ralentit. La plage de pH intermédiaire maximise la probabilité de rencontre entre les ions calcium et carbonate dissous.
Les taux de carbonatation maximaux se produisent lorsque l’humidité relative se situe entre 55 % et 75 %[s]. En dessous de cette plage, l’eau interstitielle insuffisante limite la dissolution et la diffusion du CO₂. Au-dessus, les pores saturés en eau entravent le transport gazeux du CO₂. Le modèle du noyau rétrécissant décrit la cinétique de carbonatation : à mesure que la réaction progresse de la surface vers l’intérieur, une couche de passivation de CaCO3 précipite sur les surfaces des particules, freinant le transfert de masse du CO₂ et le lessivage du Ca2+[s].
Dépassivation et propagation de la corrosion
La couche passive sur les armatures en acier devient instable lorsque le pH de la solution interstitielle descend sous environ 11,4, bien que certaines sources mentionnent des seuils aussi bas que 9,0[s][s]. Cet écart s’explique par le fait que la dépassivation dépend des conditions locales à la surface de l’acier, notamment la concentration en chlorures, la disponibilité en humidité et l’accès à l’oxygène.
Les taux de corrosion dans le béton carbonaté varient considérablement. Les densités de courant de corrosion mesurées s’échelonnent de 0,08 μA/cm2 (négligeable) à 2 μA/cm2 (élevée)[s]. Ces courants correspondent à des pertes de section transversale allant de 0,0008 mm/an à 0,02 mm/an. À l’extrémité supérieure, une armature de 10 mm de diamètre pourrait perdre 10 % de sa section en 25 ans.
Les produits de corrosion, principalement des oxydes de fer expansifs, génèrent des contraintes internes qui dépassent la résistance à la traction du béton. La corrosion des armatures produit des formations d’oxyde de fer expansives, générant une pression interne qui entraîne des fissures prononcées dans les échantillons, compromettant finalement l’intégrité structurelle[s]. Les zones carbonatées des structures en béton provoquent des dommages physiques, notamment des éclats, des fissures, une réduction de la résistance à la compression, une perte de section des armatures et une dégradation de l’adhérence acier-béton[s].
Implications pour la durabilité des liants bas carbone
Les matériaux cimentaires supplémentaires (MCS), tels que le laitier, les cendres volantes et le LC3, réduisent la teneur en clinker et les émissions de CO₂ associées. Cependant, même lorsque le béton au laitier et le béton Portland atteignent la même résistance à la compression à 28 jours, le béton au laitier présente une résistance à la carbonatation plus faible[s]. La teneur réduite en Ca(OH)2 des ciments composés offre une capacité tampon moindre contre la réduction du pH.
La carbonatation modifie les caractéristiques de perméabilité différemment selon la composition du liant. Pour le béton à base de ciment Portland, la carbonatation densifie généralement la microstructure en comblant les pores avec du CaCO3. Pour les bétons contenant des MCS ou du LC3, la carbonatation augmente souvent la perméabilité, la sorptivité et la conductivité électrique[s]. Ce comportement contre-intuitif signifie que les bétons bas carbone carbonatés peuvent être plus vulnérables à la pénétration ultérieure d’humidité et de chlorures que leurs homologues à base de ciment Portland.
Les cadres de conception qui ne considèrent que la profondeur de carbonatation comme critère de durabilité sont très conservateurs[s]. La carbonatation atteignant les armatures ne provoque pas immédiatement de dommages structurels. Le déclenchement et la propagation réels de la corrosion dépendent de l’épaisseur de l’enrobage, des conditions d’humidité, de la chimie des pores et des cycles d’exposition. Des études de cas montrent que, sans prise en compte de la durabilité face à la carbonatation, la profondeur de carbonatation après 50 ans peut dépasser un enrobage de 25 mm, entraînant un risque potentiel de corrosion[s].
Modélisation prédictive et évaluation
Les approches d’apprentissage automatique ont été appliquées à la prédiction de la profondeur de carbonatation avec des résultats prometteurs. L’analyse de 800 points de données expérimentales a identifié le temps de cure, la température et la teneur en fumée de silice comme des déterminants clés de la profondeur de carbonatation dans les bétons fibrés à ultra-haute performance, atteignant une précision de prédiction de R2 = 0,83 grâce à une recherche de pipeline pilotée par l’IA pour la régression[s]. Ces modèles peuvent prendre en compte des interactions complexes entre les variables de formulation que les équations empiriques simples ne captent pas.
Le Comité technique du RILEM sur les propriétés de durabilité liées à la corrosion des bétons bas carbone développe des stratégies d’évaluation des performances combinant plusieurs paramètres matériels pour une prédiction holistique de la durabilité[s]. Le comité souligne que s’appuyer sur un seul paramètre comme la profondeur de carbonatation sous-estime la véritable résistance à la corrosion de nombreux mélanges bas carbone, tout en surestimant potentiellement celle des mélanges traditionnels dans certaines conditions d’exposition.
Contexte infrastructurel
Aux États-Unis, le rapport 2025 de l’ASCE sur les infrastructures recense 623 218 ponts, dont 6,8 % sont en mauvais état ; un rapport 2026 de la National Association of Manufacturers citant l’ARTBA indique que près de 42 % des ponts américains ont plus de 50 ans[s][s]. Nombre d’entre eux ont été conçus avant que les mécanismes de corrosion par carbonatation du béton ne soient pleinement compris ou que des outils de prédiction de la durée de vie ne soient disponibles. Les options de réhabilitation incluent la protection cathodique, qui peut repassiver l’acier même dans le béton carbonaté en augmentant électrochimiquement le pH local à la surface de l’acier[s].
La minéralisation du CO₂ à partir de déchets solides alcalins pourrait théoriquement fixer environ 4,02 Gt de CO₂ par an dans le monde ; comparé aux 37,8 Gt de CO₂ liées à l’énergie émises en 2024, citées dans la même étude, cela équivaut à environ un dixième des émissions annuelles liées à l’énergie[s]. Mais accélérer intentionnellement la carbonatation pour la séquestration du carbone doit être équilibré avec les implications pour la durabilité des structures armées. Le défi technique consiste à optimiser la carbonatation pour la capture du carbone tout en gérant les risques de corrosion par carbonatation du béton grâce à des épaisseurs d’enrobage appropriées, une sélection de liants et des protocoles de surveillance.
