Effet du durcissement au CO2 sur les performances du film de passivation des barres acier dans les matériaux à base de ciment

Pourquoi la protection du béton plus verte est importante

Les villes modernes reposent sur le béton armé, où des barres d'acier dissimulées à l'intérieur supportent une grande partie des charges. Au fil du temps, ces barres peuvent rouiller, menaçant ponts, bâtiments et digues. Parallèlement, l'industrie du ciment est une source majeure de dioxyde de carbone (CO2). Cette étude examine une technologie appelée durcissement au CO2 qui pourrait aider sur les deux fronts à la fois : elle fixe le CO2 dans le béton frais et, comme le montre ce travail, peut en réalité améliorer la protection contre la corrosion de l'acier contenu.

Imprégner de CO2 pour rendre le béton plus résistant

Plutôt que de laisser le béton neuf durcir uniquement dans de l'air humide ou à la vapeur, le durcissement au CO2 l'expose à une concentration élevée de dioxyde de carbone durant sa phase précoce. Le gaz réagit avec la pâte de ciment pour former des carbonates solides qui emplissent les pores près de la surface. Cette réaction stocke du CO2 dans le matériau et crée une enveloppe extérieure plus dense. Comme la plupart des structures en béton sont armées d'acier, les auteurs se sont concentrés sur l'effet de cet environnement modifié sur la fine couche protectrice — appelée film de passivation — qui se forme naturellement sur l'acier dans un béton fortement alcalin et l'empêche de rouiller.

Observer l'acier devenir passif puis perdre sa protection

L'équipe a moulé de petits cylindres de mortier contenant des barres d'acier et a durci la moitié d'entre eux au CO2 et l'autre moitié dans des conditions humides standard. Ils ont ensuite suivi la transition de l'acier d'un état actif et non protégé vers un état passif et protégé en utilisant plusieurs techniques électrochimiques qui détectent de très faibles courants à la surface de l'acier. Ces mesures ont montré que dans le mortier standard l'acier mettait environ trois semaines à atteindre un état passif stable, alors que dans le mortier durci au CO2 cela se produisait en à peu près la moitié du temps. Les auteurs attribuent cette accélération à une concentration temporairement plus élevée en oxygène autour de l'acier, due à la réaction avec le CO2 et à la densification de la couche extérieure du mortier, qui repousse l'oxygène dissous vers l'intérieur et favorise une formation plus rapide du film protecteur.

Une peau protectrice plus fine mais plus robuste

À première vue, le film de passivation dans les échantillons durcis au CO2 pourrait sembler moins bon : il est légèrement plus mince — environ 4,06 nanomètres contre 4,73 nanomètres pour le durcissement standard. Mais les mêmes essais ont montré qu'il résiste davantage au transfert de charge, ce qui rend plus difficile la progression des réactions corrosives. La microscopie de la surface de l'acier a permis d'expliquer pourquoi. Dans le mortier durci au CO2, le film est plus uniforme et finement ordonné, formant un motif vertical continu de grains qui bloque les voies pour les ions chlorure et l'oxygène. L'analyse chimique par spectroscopie photoélectronique X a en outre montré que ce film contient une proportion plus élevée de fer dans un état d'oxydation inférieur (Fe2+) par rapport au Fe3+. Cet équilibre semble compacter davantage le film et lui conférer une meilleure capacité d'auto-réparation des petits défauts, conciliant la surprenante combinaison d'une moindre épaisseur et d'une meilleure protection.

Retarder beaucoup plus longtemps les dégâts dus au sel

Les structures réelles sont souvent exposées aux sels provenant de l'eau de mer ou des produits de déneigement, qui peuvent progressivement dégrader le film de passivation. Pour simuler cela, les chercheurs ont soumis leurs éprouvettes à des cycles répétés d'immersion dans une solution saline puis de séchage. L'acier dans le mortier durci selon la méthode standard a perdu son état protecteur après 18 cycles, avec une forte augmentation des courants de corrosion. En revanche, l'acier dans le mortier durci au CO2 est resté passif jusqu'à environ 30 cycles, ce qui signifie que l'apparition d'une corrosion sérieuse a été retardée d'environ deux tiers. Cette amélioration provient d'un double avantage : la couche extérieure carbonatée du mortier ralentit l'arrivée des ions chlorure, et le film de passivation affiné est lui-même plus stable et moins sujet aux défauts sous attaque.

Ce que cela signifie pour les structures futures

Pris ensemble, les résultats suggèrent que le durcissement au CO2 fait plus que simplement emprisonner un gaz à effet de serre dans le béton ; il reconfigure également le bouclier microscopique protégeant l'acier à l'intérieur. En accélérant la formation d'un film de passivation plus dense et chimiquement plus résilient, et en combinant cela avec une structure poreuse de surface plus serrée, le béton durci au CO2 peut mieux résister à la corrosion induite par les sels sur la durée. Pour les ingénieurs, cela signifie que remplacer le durcissement à la vapeur traditionnel des éléments préfabriqués par le durcissement au CO2 pourrait prolonger la durée de vie des ponts, des ouvrages marins et d'autres infrastructures critiques tout en contribuant à l'utilisation du CO2 — offrant un rare gain double en matière de durabilité et d'impact climatique.

Citation: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

Mots-clés: durcissement au CO2, béton armé, corrosion de l'acier, film de passivation, attaque chlorure