Surfside Champlain Towers South Condo Collapse et la science du béton [Video]

Les bâtiments en béton ne s’effondrent pas à l’improviste. Même les tremblements de terre ne sont pas censés les faire tomber. Alors pourquoi le bâtiment Champlain Towers South à Surfside, en Floride – une structure moderne construite en 1981 – a-t-il échoué ?

Transcription vidéo :

[NEWS BROADCAST] Nous avons un nouveau regard sur le site de l’effondrement du condo Surfside, les enquêteurs et les ingénieurs travaillant… [GEORGE] Comment? [NEWS BROADCAST]— entraînerait l’effondrement de la tour Champlain Sud. [GEORGE] Je veux dire, comment ?

Au printemps, nous travaillions sur une vidéo sur la chimie du béton, puis l’effondrement du condo de surfside s’est produit, et cela a un peu changé les choses. Les bâtiments en béton ne tombent pas tout seuls, même les tremblements de terre ne sont pas censés les faire tomber. Alors, comment un bâtiment moderne en béton, construit en 1981, a-t-il tout simplement échoué ?

Pour répondre à cette question, nous devons commencer par quelques bases concrètes. Premièrement, le béton n’est pas du ciment. Les gens utilisent ces mots de manière interchangeable tout le temps, mais ce sont deux choses différentes. Le ciment est un ingrédient du béton.

Le béton est fait de roches, de ciment et d’eau. C’est le matériau dont sont faits les bâtiments, les trottoirs et toutes sortes d’autres choses.

Et le ciment est comme la colle qui maintient le béton ensemble, sauf que c’est la colle la plus étrange et la plus contre-intuitive qui existe.

Qu’est-ce que ça veut dire? Si vous avez déjà vu un trottoir en béton fraîchement coulé et que vous y avez peut-être ou non mis une empreinte de palmier, alors vous avez vu à quoi ressemble le séchage du béton. Au fur et à mesure que ce trottoir mouillé sèche, le béton durcit.

Il s’avère cependant que ce n’est pas du tout ce qui se passe. Le béton durcit grâce à un processus appelé « curing » et non par dessèchement. En fait, c’est mieux pour la résistance du béton s’il ne sèche pas.

Alors que se passe-t-il réellement ? Eh bien, le ciment est principalement composé de silicates de calcium et d’aluminates de calcium. Ajoutez de l’eau à ce mélange et vous obtenez une réaction chimique qui produit ce qu’on appelle l’hydrate de silicate de calcium.

Maintenant, j’aimerais vous montrer la réaction chimique exacte ici avec tous les réactifs et les produits exacts que vous en retirez, mais c’est différent à chaque fois ! Il n’y a pas de stoechiométrie fixe, il n’y a pas de structure cristalline fixe—

La version courte est que le ciment et l’eau forment un hydrate de silicate de calcium, qui est composé d’oxyde de calcium, de dioxyde de silicium, d’eau, d’hydroxyde de calcium, chacun en quantité variable.

L’eau doit être disponible pour que l’hydrate de silicate de calcium se forme, c’est ce que le mot hydrate fait là, cela signifie qu’il contient de l’eau.

Ainsi, au fur et à mesure que le béton sèche par évaporation, vous perdez en fait un de vos réactifs. Et si cela se produit trop rapidement, la réaction n’aura pas assez de temps pour se terminer complètement.

A quoi cela ressemble-t-il? Allons découvrir.

Je mélange donc un lot de ciment et je le divise en deux récipients en ciment, également appelés tupperwares, dans mon tiroir du bas.

Je recouvre l’un d’eux d’une pellicule plastique pour empêcher l’eau de s’évaporer et l’autre que je mets juste devant un ventilateur pour favoriser l’évaporation d’un maximum d’eau.

Ce sont donc les deux tupperwares en béton côte à côte. Celui-ci a été durci sous le film plastique et celui-ci sous le ventilateur. De là, ils ne semblent pas si différents, mais si vous regardez de très près, vous pouvez voir ce genre de fines fissures capillaires. Ces fissures se produisent exactement pour la même raison que les vasières développent des fissures au fur et à mesure qu’elles sèchent.

Bon, comparons le béton durci sous le ventilateur au béton durci sous plastique. Maintenant, j’ai regardé cela de très près et je ne pouvais pas voir une seule fissure fondamentalement.

L’autre chose à regarder est la force de chacune de ces pièces. Maintenant, dans la construction, le béton sur place est régulièrement testé à l’aide de toutes sortes d’équipements sophistiqués. Je n’ai rien de tout ça, mais j’ai ces armes… et un marteau. Alors, euh, allons les utiliser.

J’ai donc fabriqué un petit banc d’essai de masse pour essayer de casser mes deux éprouvettes de béton avec exactement la même force. Je vais vous épargner les détails et vous dire que mon montage évidemment pas du tout DIY ici n’était pas assez précis pour mesurer une quelconque différence dans les résistances de ces deux morceaux de béton.

Heureusement, ce n’est pas ainsi que le béton est testé en laboratoire. Dans le laboratoire, il y a une machine géante qui appuie sur des cylindres de béton, augmentant lentement la pression jusqu’à ce que le béton cède.

Et nous savons d’après ces tests que le béton durci dans beaucoup d’eau est environ deux fois plus résistant que le béton durci à l’air libre après que les deux aient durci pendant environ un an.

Vous avez besoin d’eau pour rester dans le béton assez longtemps pour que tout ce ciment produise des hydrates de silicate de calcium. Parfois, vous verrez même des équipes de construction pulvériser de l’eau sur du béton ou le recouvrir de bâches pour s’assurer qu’il reste humide assez longtemps pour durcir.

En fait, vous pouvez couler du béton sous l’eau et il peut en fait devenir plus fort car il y a plus qu’assez d’eau, donc ce n’est jamais un réactif limitant.

Alors, qu’est-ce que tout cela a à voir avec l’effondrement du Surfside Condo?

Eh bien, je revenais en arrière et je me posais la même question lorsque je suis tombé sur une citation qui m’a sauté aux yeux. C’est quelque chose qu’un expert en béton m’a dit au printemps.

Je parlais avec le Dr Maria Juenger, qui étudie l’ingénierie des matériaux d’infrastructure, et je lui ai demandé si le béton des ponts au-dessus des rivières était coulé directement dans l’eau.

[DR. JUENGER] Parfois ils sont versés sous l’eau, parfois ils sont euh, vous savez, pilonnés en place. Une chose que je noterai, cependant, c’est que vous avez dit rivière et pas dans l’océan, parce que le béton est parfaitement heureux dans l’océan pour la plupart, euh, c’est cet acier d’armature que nous utilisons dans le béton structurel qui n’aime pas l’eau de mer. [GEORGE] Le béton est vraiment solide si vous le comprimez, mais sa résistance à la traction n’est pas excellente. Donc, si vous l’étirez ou le tordez, il a tendance à se casser.

Étant donné que les structures des bâtiments doivent non seulement faire face à la force de leur propre poids, mais aussi au vent, aux tempêtes et même aux tremblements de terre, c’est un problème.

Donc, pour compenser cela, nous renforçons le béton structurel, généralement avec de l’acier. Mais l’acier et l’eau de mer ne font pas bon ménage, il faut donc être très prudent lors de la construction dans ou près de l’océan.

[DR. JUENGER] Si vous rendez votre béton assez dense et assez bon, vous pouvez réellement protéger l’acier à l’intérieur de l’accès à l’eau de mer et le protéger de la corrosion, car le pH élevé du béton passive l’acier et l’empêche de rouiller. [GEORGE] Si l’eau de mer peut pénétrer dans le béton et atteindre l’acier, elle peut catalyser des réactions d’oxydation. Le fer de l’acier réagit avec l’oxygène ou les ions hydroxyde, formant de la rouille. Au fur et à mesure que le fer est extrait de l’armature en acier et converti en rouille, l’acier perd de sa résistance.

Et à mesure que de plus en plus de rouille s’accumule à la surface de ces barres d’acier, elle pousse contre le béton, ce qui peut fissurer le béton et lui faire perdre de sa résistance.

Maintenant, puisque tout cela se passe à l’intérieur du béton, vous ne remarquerez peut-être pas l’étendue de la corrosion avant qu’il ne soit trop tard.

Alors, est-ce ce qui s’est passé à Surfside ? À ce stade, nous ne savons pas avec certitude. Cela prendra des années. Mais les premiers signes indiquent des problèmes avec l’acier d’armature.

Au cours des dernières années, les inspecteurs et les préposés à l’entretien de Surfside ont signalé des devis, des erreurs majeures, des devis, dans la construction qui ont permis à l’eau de s’infiltrer et de rester en contact avec le bâtiment, ce qui aurait pu corroder l’acier d’armature, affaiblissant toute la structure.