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Photographie: TFB Nyon Bulletin du ciment Mai 2000 68e année Réactions alcali-g

Photographie: TFB Nyon Bulletin du ciment Mai 2000 68e année Réactions alcali-granulats (1ère partie) Granulats corrodés et fissurés par suite de réactions alcali-granulats (examen microscopique d’une lame mince sous lumière polarisée). 5 Lors des réactions alcali-granulats (RAG), la solution interstitielle d’un béton réagit avec les granulats, ce qui peut entraîner des gonflements et des fissures. Des mesures appro- priées permettent d’éviter ces phé- nomènes. La première description de dégâts dus aux réactions alcali-granulats (RAG) a paru en 1940 aux USA. De- puis lors, des observations similaires ont été faites dans différentes ré- gions, par exemple en Islande, au Danemark, en Angleterre, en France et en Allemagne. Ces dégâts ont été dans une large mesure épargnés à d’autres pays, dont la Suisse. Dans le présent article sur les RAG, l’accent est mis principalement sur les aspects généraux. Il sera traité dans un prochain numéro du «Bulle- tin du ciment» des possibilités d’éviter ces réactions. Généralités On distingue trois types de réactions alcali-granulats (RAG): ● les réactions alcali-silice ● les réactions alcali-silicate ● les réactions alcali-carbonate. Les réactions alcali-silice et les réac- tions alcali-silicate sont assez sembla- bles; elles diffèrent principalement par leurs vitesses: les réactions alcali- silice sont plus rapides. Les trois types de réactions ont en commun la réac- tion de la solution interstitielle d’un béton avec certains granulats, laquel- le engendre des gonflements qui peuvent entraîner des fissures. Dans ce qui suit, on entend par réac- tions alcali-granulats (RAG) aussi bien les réactions alcali-silice que les réactions alcali-silicate; il ne sera traité que ponctuellement des réac- tions alcali-carbonate, rarement ob- servées. Les mécanismes de réaction possibles sont décrits dans l’encadré «Théorie concernant les RAG». Facteurs d’influence pour les réactions alcali-granulats De nombreux facteurs exercent de manière très diverse une influence sur les RAG. C’est pourquoi on ne connaît pas de solutions universelle- ment applicables pour les éviter. Les conditions environnantes sont déterminantes pour que des RAG se produisent. Sont en outre importantes: ● la teneur en granulats réactifs ainsi que le type et la taille de ces granulats ● la teneur en alcalins du béton et la composition de la solution interstitielle ● les propriétés du béton. Conditions environnantes Il faut surtout tenir compte de trois facteurs: ● Un taux d’humidité élevé du béton est une condition pour que des Réactions alcali-granulats (1ère partie) RAG se produisent. Il permet la réaction et facilite le transport des alcalins vers les phases réactives. Les gonflements sont dus princi- palement à l’absorption d’eau dans les gels de silice. ● Une hausse de la température accélère considérablement la réaction. Lors d’essais en labo- ratoire, une hausse de la tempé- rature de 10 à 40 °C a rendu les RAG au moins 20 fois plus rapides. ● Les charges alcalines externes dues aux eaux souterraines, aux eaux sulfatées et aux solutions issues des Bulletin du ciment 68, cahier 5 (2000) Lors des réactions alcali-granulats (RAG), la solution interstitielle d’un béton réagit avec les granulats, ce qui peut entraîner des gonflements et des fissures. Des mesures appropriées permettent d’éviter ces phénomènes. A propos de cet article Le présent article est basé pour l’essentiel sur les exposés ci-après, présentés lors du séminaire du TFB «AAR – eine Gefahr für die Dauerhaftigkeit unserer Betonbau- ten?» du 5 avril 2000 à Wildegg. [1] «Alkaliaggregatreaktionen (AAR): materialtechnologischer Verlauf», exposé de Christine Merz, TFB Wildegg [2] «Schäden infolge Alkaliaggregat- reaktion», exposé de Cédric Thalmann, BIG, Wabern bei Bern. [3] «Bestimmung der Alkaliaggregat- gefährdung: vorhandene Methoden und ihre Aussagekraft, Stand der Forschung», exposé de Jean-Gabriel Hammerschlag, TFB Nyon [4] «Alkaliaggregatreaktionen (AAR): Konsequenzen und Gegenmassnah- men in der Baupraxis, Gefahrenpo- tenzial für die Schweiz», exposé de Ernst Honegger, TFB Wildegg. Des compléments provenant de la littéra- ture spécialisée figurent dans la liste en page 6. Bulletin du ciment 68, cahier 5 (2000) Réactions alcali-silice et alcali- silicate Bien qu’il existe de nombreuses publications sur le mécanisme de ces deux réactions, plusieurs points sont encore obscurs. Les phéno- mènes décrits ici ne sont pas non plus complètement élucidés. Les réactions alcali-silice se produi- sent en général dans un délai de l’ordre de quelques années, et les réactions alcali-silicate, le plus sou- vent seulement quelques décennies après la fabrication du béton. Le méca- nisme des deux réactions est à peu près semblable. Leur vitesse diffé- rente s’explique par le fait que les roches et minéraux peuvent présenter des modifications de l’acide silicique diversement réac- tives. On entend par acide silicique le SiO2, dont le nom correct est dioxyde de silicium. Bien cristallisé, le SiO2 est dans une large mesure stable vis-à-vis des solutions d’hydroxyde. Les points d’attaque sont les groupes silanol à la surface de l’acide silicique, qui réagissent avec les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle alcaline: ––Si–OH + HO– M+ ➔––Si–O– M+ + H2O (1) L’attaque sur les ponts siloxane (Si-O-Si) situés plus profondément a lieu ensuite: ––Si–O–Si–– + 2 HO–M+ ➔––Si–O–M+ + M+ –O–Si–– + H2O (4) De façon simplifiée, l’évolution de la réaction peut être détaillée comme suit [1, 5]: ● Concentration des alcalins dans la solution interstitielle lors de la progression de l’hydratation. ● Les ions OH–, Na+ und K+ migrent de l’eau interstitielle vers l’acide silicique réactif des granulats. ● Réaction des hydroxydes alcalins avec l’acide silicique réactif. Théories concernant les RAG Granulats avec acide silicique sensible aux alcalins Réaction superficielle avec les ions alcalins et calcium du ciment pour former du silicate de calcium hydraté alcalin non gonflant (membrane semi-perméable) Diffusion des ions alcalins et de l’eau à l’intérieur des granulats et réaction avec l’acide silicique sensible aux alcalins pour former du gel de silice alcalin Augmentation de la pression intérieure due à la poursuite de la réaction et à l’absorption d’eau Fissuration lorsque la résistance à la traction des granulats est dépassée; faible formation de gel Désagrégation des granulats depuis l’intérieur; forte formation de gel Fig. 1 Représentation schématique d’un mé- canisme possible en- traînant des dégâts lors de réactions alcali-silice, selon [5] (modifié). Bulletin du ciment 68, cahier 5 (2000) ● Formation d’un gel de silice alcalin susceptible de gonfler. ● Dans quelques cas, transformation du gel en silicate de calcium hy- draté alcalin non gonflant, qui, sous forme de membrane ou couche semi-perméable sur la surface, laisse passer de préférence les ions Na+ et K+ ainsi que l’eau. ● Du gel de silice alcalin susceptible de gonfler se forme à l’intérieur des granulats. ● La poursuite de la réaction et l’absorption d’eau augmentent la pression intérieure. ● Fissuration et écoulement du gel lorsque la pression intérieure est supérieure à la résistance à la trac- tion des granulats et de la pâte de ciment durcie. Les différents stades décrits ici sont également représentés schéma- tiquement à la figure 1. Réactions alcali-carbonate Des réactions alcali-carbonate sont observées principalement avec des granulats composés de dolomite argileuse ainsi que de calcaires à grains fins avec inclusions de miné- raux argileux. De façon simplifiée, les réactions chimiques peuvent être formulées comme suit: CaMg(CO3)2 + 2 MOH ➔CaCO3 + Mg(OH)2 + M2CO3 (3) (M = Na ou K) (dolomite + hydroxyde alcalin ➔calcite + brucite + carbonate alcalin) M2CO3 + Ca(OH)2 ➔ CaCO3 + 2 MOH (4) Lors de la réaction (3), il s’agit d’une dédolomitisation, liée à une diminution de volume. Des gonflements se produisent parce que lors de la transformation de la dolomite (CaMg(CO3)2) en brucite (Mg(OH)2), la porosité augmente. De l’humidité peut ainsi arriver jusqu’aux inclusions d’argile, lesquelles gonflent. Les carbonates alcalins (M2CO3) libérés réagissent avec l’hydroxyde de calcium du ciment (Ca(OH)2), ce qui libère des hydroxydes alcalins M(OH) [équation 4)]. sels de déverglaçage, peuvent favoriser les RAG. Granulats réactifs Les principaux minéraux et roches réactifs figurent dans le tableau 1. Les granulats contenant de l’acide silicique amorphe ou semi-cristallin réagissent plus rapidement que les silicates cristallins. Les grains fissurés poreux ainsi que les grains concassés sont plus réactifs que les grains com- pacts non fissurés ou arrondis naturel- lement. Lorsqu’on augmente la teneur du béton en certains granulats réactifs, l’expansion due aux RAG n’augmente pas constamment, mais elle passe par un maximum: effet de pessimum. Concrètement, cela signifie que la sensibilité aux RAG d’un béton peut augmenter lors- qu’on y ajoute des granulats inertes (exemple pour l’effet de pessimum de l’opale et du verre Duran: figure 2). Teneur en alcalins et composition de la solution interstitielle Les composants suivants contribuent à la teneur en alcalins: ● Ciment Le ciment est normalement le prin- cipal fournisseur d’alcalins. Les alca- lins, avec les sulfates, exercent une influence sur le raidissement et le durcissement du ciment. C’est pour- quoi on ne peut pas en réduire la quantité de façon inconsidérée. La teneur en alcalins totale d’un ciment dépend des matières premières et des conditions de fabrication. Les clinkers suisses contiennent en moyenne environ 0,7–0,9 % (de la masse) de Na2O équivalent. (% Na2O équivalent = % Na2O + % K2O x 0,658). La teneur en alcalins de la solution interstitielle exerce une influence sur la teneur en Ca(OH)2 et sur la solubilité de l’acide silicique. ● Granulats Certains verres uploads/Finance/ bcf0500.pdf