Le dilemme entre séquestration du carbone et corrosion dans le béton : enseignements sur mortier CSA-PC en phase précoce

Pourquoi enfermer du carbone dans le béton n’est pas si simple

Le béton est l’une des plus grandes sources mondiales de dioxyde de carbone, mais il peut aussi ré-absorber du CO2 au fil du temps. Une idée récente consiste à forcer délibérément du CO2 supplémentaire dans le béton frais pour le « verrouiller » et même renforcer le matériau. Cette étude pose une question pratique cruciale : si l’on injecte fortement du CO2 dans un mélange de ciment à faible empreinte carbone à un âge précoce, gagne-t-on réellement en durabilité — ou augmente-t-on en silence la probabilité que l’acier d’armature à l’intérieur rouille ?

Le béton comme éponge carbonée cachée

La société moderne coule environ 30 milliards de tonnes de béton chaque année, et les matériaux à base de ciment absorbent déjà près d’un gigatonne de CO2 par an en réagissant lentement avec l’air. Les ingénieurs expérimentent aujourd’hui la « carbonatation forcée », où le béton frais ou recyclé est exposé à du CO2 concentré sous pression. À ce stade précoce, le matériau reste assez poreux, de sorte que le gaz peut pénétrer facilement, accélérant les réactions chimiques qui piègent le CO2 sous forme de carbonates solides. Ces réactions peuvent aussi resserrer les pores et augmenter la résistance précoce, offrant une voie attrayante vers des bâtiments et des infrastructures plus verts et plus résistants.

Un mélange cimentaire bas carbone à la loupe

Les auteurs se sont concentrés sur un mortier hybride composé de 75 % de ciment sulfoaluminate de calcium (CSA) et de 25 % de ciment Portland ordinaire. Le CSA requiert moins d’énergie et libère moins de CO2 lors de sa production, mais il crée aussi un environnement interne moins alcalin que le ciment standard. Cela a de l’importance car les aciers d’armature dans le béton conventionnel sont normalement protégés par une solution interstitielle très alcaline qui maintient leur surface « passive » et résistante à la corrosion. Dans ce travail, de fins cylindres de mortier, chacun contenant une tige d’acier mince, ont été soumis soit à aucune carbonatation artificielle, soit à 4, 24 ou 72 heures de CO2 pur à haute pression à l’âge d’un jour. Ensuite, tous les échantillons ont été conservés jusqu’à 28 jours puis exposés pendant 43 semaines à des cycles répétés d’immersion dans de l’eau salée suivie de séchage pour reproduire des environnements agressifs riches en chlorures.

Observer la perte du bouclier protecteur de l’acier

Pendant toute l’exposition, l’équipe a utilisé des techniques électrochimiques pour suivre l’état de l’acier — mesurant son potentiel en circuit ouvert, la résistance à la polarisation et la densité de courant de corrosion, qui indiquent ensemble l’activité de dissolution du métal. Ils ont aussi mesuré périodiquement le pH du mortier. Même avant l’exposition agressive au sel, le pH global de ce mortier riche en CSA était inférieur au seuil conventionnel (environ 11,5) nécessaire pour une couche passive robuste sur l’acier. Au fil des cycles humide–sec, le pH a encore chuté, en particulier dans les échantillons pré-carbonatés. Le courant de corrosion dans les mortiers carbonatés a rapidement atteint des valeurs environ dix fois supérieures à celles de la référence non carbonatée, correspondant à un taux de corrosion « élevé ». En d’autres termes, bien que toutes les barres aient été à risque, la carbonatation forcée en phase précoce a clairement poussé l’acier dans un régime de corrosion plus sévère.

Une rouille qui se propage et remplit le béton

Pour voir où et comment les dommages se développaient, les chercheurs ont eu recours à l’imagerie haute résolution et à l’analyse chimique. La tomographie X a fourni des cartes 3D des zones remplies de rouille autour des barres, tandis que la microscopie à électrons rétrodiffusés et la cartographie élémentaire ont révélé comment les produits de corrosion riches en fer avaient migré dans le mortier environnant. Dans les échantillons non carbonatés, seule une fine couche de rouille adhérait à l’acier, n’envahissant le mortier que sur quelques dizaines de micromètres. En revanche, les mortiers carbonatés présentaient des bandes de rouille beaucoup plus épaisses et irrégulières, avec des produits de corrosion pénétrant jusqu’à environ 2 millimètres dans la matrice et formant des amas dont le volume moyen a à peu près doublé après seulement 4 heures de traitement précoce au CO2. La spectroscopie photoélectronique X a confirmé que la surface de l’acier dans les spécimens carbonatés contenait davantage d’oxydes et d’hydroxydes de fer à valence élevée et plus d’eau liée — signatures d’une couche de rouille plus épaisse et plus active, susceptible d’être davantage attaquée.

Un matériau plus dense qui corrode pourtant plus vite

Paradoxalement, la même carbonatation qui a accéléré la corrosion a aussi rendu la microstructure du mortier plus dense. L’analyse thermique et les mesures d’adsorption d’azote ont montré que les régions externes des cylindres développaient plus de carbonate de calcium et une évolution des pores plus gros vers des micro- et mésopores plus fins, tandis que les régions internes proches de l’acier étaient modifiées à la fois par la carbonatation et par la croissance interne et la migration externe de la rouille. Globalement, le réseau poral est devenu plus resserré, ce qui devrait, en principe, ralentir le déplacement d’ions agressifs comme les chlorures et limiter la propagation des produits de corrosion. L’étude a en effet observé que prolonger la carbonatation de 4 à 72 heures n’augmentait pas fortement le volume total de rouille, mais changeait principalement sa distribution — des zones de rouille plus nombreuses et moins profondes plutôt que quelques grandes — parce que les pores affinés gênaient une pénétration plus poussée.

Ce que cela signifie pour un béton plus écologique

Pour un non-spécialiste, le message clé est que l’injection d’un CO2 supplémentaire dans du béton jeune armé est une arme à double tranchant. Cela aide à séquestrer le carbone et réduit la taille et l’agencement des pores internes. Cependant, dans un système faiblement alcalin comme ce mélange CSA–Portland, une carbonatation précoce profonde élimine aussi une grande partie de la protection chimique qui empêche normalement l’acier de rouiller. Le résultat est une initiation de corrosion plus fréquente et une plus grande propagation de la rouille dans le béton, même si la microstructure dense limite la profondeur de cette pénétration. Les auteurs concluent que si la carbonatation forcée en phase précoce offre des avantages environnementaux et mécaniques évidents, elle peut compromettre sérieusement la durabilité à long terme des éléments armés à moins que la chimie et la conception ne soient très soigneusement contrôlées.

Citation: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

Mots-clés: carbonatation du béton, corrosion de l’acier, ciment sulfoaluminate de calcium, séquestration du CO2, durabilité du béton armé