ETUDE DES ELEMENTS EN BETON ARME A SA BASE

Les résultants de la réaction alcali- granulat

L’AAR est une réaction chimique qui se traduit à des changements physiques qui mènent à leur tour à des dégradations mécaniques. Cet aspect est basé sur des paramètres physiques commençant par la décoloration et les expansions libres, ensuite les ouvertures de fissures, ainsi que les faïençages avec autres indices d’endommagements. Ces paramètres sont en cours de normalisation comme pour l’essai de dilatation des bétons alcali réactif selon AFNOR NF P18- 587, ASTM C1105-95 et CSA A23.2 -14A, dont les mesures sont prises chaque semaine [Bouabdallah et al, 2014]. 34 Depuis la découverte de cette pathologie jusqu’à présent, de nombreuses recherches ont eu pour sujet l’étude des aléas de ce cancer ainsi ses mécanismes. Ces réactions peuvent être classées en trois groupes (Figure I.7) [Berard et al, 1986] : a- Réaction à la périphérie de granulats non poreux. b- Réactions internes diffuses entrainant un gonflement massique des granulats poreux. c- Réactions internes avec formation de veinules de gel de silice. Figure I.7 Exemples illustrant les trois mécanismes de gonflement reliés aux granulats [Berard et al, 1986].

Exsudation du gel et décoloration en peau des bétons alcaliréactifs

L’apparition des taches blanchâtres sur la surface extérieure des éléments en béton alcali réactif, ces taches deviennent de plus en plus larges en fonction du temps, pour les bétons dopés en Na2O et K2O. C’est le gel blanc de l’AAR qui remplit les pores, ensuite il se présente en peaux comme une poudre blanche et très fine (< 0,08 mm). Et au plus tard en quantités importantes à travers les fissures évolutives, par contre le béton sain (Référence) conserve une couleur normale (Figure I.8). [Bouabdallah et al, 2014] [Bouabdallah, 2010] 3A 3B 3C 2A 2B 2C (c) Calcaire impure (a) Granite (b) Quartzite (a) Expansion périphérique. (b) Expansion massique. (c) Expansion par formation de veinules de gel de silice. 35 1 2 2C et 3C: Béton alcali-réactif de 3 mois 28 jours d’âge respectivement [Na2Oéq= 2,5 %, T=40°C & HR=100 %]. 2B et 3B: Béton alcali-réactif de 3 mois 28 jours d’âge respectivement [Na2Oéq= 1,25 %, T=40°C & HR=100 %]. 2A et 3A : Béton sain de 3 mois et 28 jours d’âge respectivement [Na2Oéq= 0,3 %, T=Ambiante & HR=100 %]. [1] et [2] Gel blanc au gravier et au pore respectivement dans un béton alcali-réactif, agrandissement 24X. Figure I.8 Gel aux pores, granulats et sur les surfaces des éprouvettes cylindriques (Ø 11, H 22) cm et poutres 120 x 20 x 15 cm après 2 mois d’essai. [Bouabdallah, 2010] Jusqu’à présent aucune étude ne présente la corrélation entre la quantité de gels produits dans le béton et les expansions détruisantes observées sur les structures [Regourd Mranville, 1989]. Selon une étude faite sur des ouvrages français, et qui a mis en évidence une corrélation négative entre la résistance à la compression des bétons et la teneur en alcalins des gels alcali réactifs [Prin et al, 1992]. Pour mieux comprendre le comportement des structures affectées par l’AAR, il est privilégié aux chercheurs de quantifier dans le futur les efforts d’expansion [Habita, 1992]. Une synthèse réalisée sur les composants des produits de l’AAR montre les taux exprimés à la figure I.9 [French, 1980]. L’identification des produits de l’AAR présentait la première occupation des chercheurs, on trouve ceux qui ont pu trouver la composition chimique surtout pour les gels. Cela était au moyen des analyses microscopiques optique, électronique à balayage, analyses chimiques par rayon X ou avec d’autres microscopies ….etc. [Regourd, 1983] et [Leroux et al, 1983] La composition des gels formés se diffère d’un auteur à un autre, généralement ils sont de nature Silico Calco-Alcalin en plus de la présence d’autres minéraux en tenant compte à la nature des granulats et la composition des ciments utilisés. En fonction du temps, le gel change de composition en accumulant de plus en plus de calcium (Ca) [Kalousek, 1944]. De plus, selon une autre analyse faite H2O SiO2 Na2O Composition du gel Figure I.9 Composants du gel [French, 1980]. 36 avec des gels alcali réactif sur des ouvrages existants, les résultats donnent les taux de composants résumés au (Tableau I.1) [Bérubé et al, 1986]. Tableau I.1 Compositions chimiques des gels de l’AAR selon certains auteurs. [Habita, 1992][Prezzi et al, 1998] [Mladenovich et al, 2009] [Jun et al, 2010] [Zhung et al, 2013] (1) Conservation aux conditions extrêmes (HR 100 % ; T 40 °C) pour 1an de. Des études ont montré que des variations peuvent intervenir à l’auréole de réaction autour d’un granulat réactif. Les cristaux des gels ont une forme de roses et de composition relativement stable, ils sont plus riches en potassium K et les ions (Al) proviennent du ciment, ou des granulats feldspaths ou chlorites. Depuis Stanton 1942, plusieurs auteurs ont identifié le gel résultant de l’RAS en premier lieu, dans les pores et à la solution interstitielle ce gel analysé est expansif même en état visqueux [Swamy, 1992]. Par ailleurs, plus récemment avec l’évolution des moyens des analyses chimiques, dont la précision devient considérable. Les recherches arrivent à déterminer les faibles quantités des éléments secondaires comme le Cl, Al2O3, FeO3, S, …etc. (Tableau I.1) Plusieurs classifications sont adaptées pour le gel formé en cas de l’AAR, décrivant la morphologie de ces produits, des chercheurs les mettaient en trois autres groupes. Le premier groupe est celui des produits amorphes ou le gel est lisse et mamelonné, ensuite on trouve le groupe des produits semicristallisés dont le gel est polymorphe avec une forme framboisée et microgranulaire. Et le dernier groupe est celui des produits cristallisés, ces cristaux sont lamellaires avec des cristaux aciculaires et en rosette [Larive et Louarn, 1992].   Absence de dégradations après 7 jours de conservation (1,2 % Alcalin, et 60 °C) ; (2) Formation du gel (fluide) sans fractures aux éprouvettes en mortier après 23 jours de conservation (1,2 % Alcalin, et 60 °C) ; (3) Gel solide cristallisé et l’apparition de peu de fissures aux éprouvettes en mortier après 60 jours de conservation (1,2 % Alcalin, et 60 °C) ; (4) Gel solide cristallisé et faïençage aux éprouvettes de mortier après 180 jours de conservation (1,2 % Alcalin, et 60 °C) [Ben Haha, 2006]. (5): Dépôt de gel alcali-silice à une surface cristallisée ; (6): Gel alkali-silice cristallisé en rosette [Bektas et al, 2004]. Figure I.10 Phases morphologiques des gels et fissures de l’AAR analysés avec BSE, SEM [Bektas et al, 2004] et [Ben Haha, 2006]. Par ailleurs, il y a une autre classification plus simple en trois autres groupes notant le gel massif en cours de cristallisation et cristallisé en rosette [RegourdMoranville, 1989]. Un autre résultat qui considérait les gels en deux types, en fonction de leurs compositions. Un gel immobile qui est riche en calcium, et celui mobile qui est riche en alcalins. Le gel mobile s’est dissous dans la solution à travers les fissures, ces gels sont accordés de propriétés gonflantes provoquant ainsi une expansion puis une fissuration anarchique et évolutive dans le béton [Diamond, 2000].

Changement de longueur dans le béton et le mortier atteint de l’AAR

Plusieurs théories traitent le phénomène de l’expansion du béton alcali réactif due au gel expansif. Les théories les plus célèbres sont ceux qui expliquent le gonflement par la pression d’imbibition provoquée lors de l’absorption de l’eau par le gel [Dent Glasser et al, 1981]. Ou celle qui la propose due aux pressions de cristallisation, et la possibilité de fixation de l’eau aussi [Dron, 1998]. D’une part, autres chercheurs suggèrent que les dilatations sont à cause du mécanisme osmotique obtenu quand le gel fixe de l’eau [Diamond, 2000]. D’autre part, il-yen a des travaux qui engendrent le gonflement à la double couche électrique dont la création des forces de répulsion électriques entre ces couches relativement aux: ions, pH et forces ioniques [Prezzi et al, 1997] [Chatterji et al, 2000]. Une approche pour le gonflement granulaire est aussi mise en évidence par des recherches basées sur le processus structural, la formation de gels 38 Temps (Jours) Expansion (%) a b c d 1ère tangente 2ème tangente 3ème tangente b a c d expansifs et le bilan de la matière. Le bilan de la matière au sein du granulat est fondé sur la coexistence de deux flux opposés « entrant » et « sortant » dans le grain réactif [Chatterji et al, 1984], [Chatterji et al, 1986], [Chatterji et al, 1987] et [Chatterji et al, 1988]. Le processus du gonflement structural est conçu selon trois étapes, la première s’agit de la neutralisation des silanols par les alcalins. La deuxième est la rupture des ponts siloxanes par les ions hydroxyles. Et la troisième n’est qu’une dissolution de la silice due à la poursuite de l’attaque des Tétraèdres Q3 par les ions hydroxyles et la création des ions siliceux dans la solution des pores du béton [Garcia-Diaz et al, 2006]. La formation du gel hydraté expansif n’est que sous condition de l’existence d’une barrière semiperméable [Ichikawa et Miura, 2007 ; Ichikawa, 2009]. Les courbes (Expansion-Temps) pour les bétons alcali-réactifs de la Figure I.11 sont des courbes caractéristiques dont la forme est en « S » [Larive, 1997] et [Li et al, 2000]. Cette courbe présente « La méthode des 3 tangentes », dont la première partie montre la phase « a » de l’expansion avant la création des fissures (S) en amplitude qui est généralement faible, elle indique également la vitesse de la réaction. Par la suite la phase centrale (b) dans laquelle l’expansion accélère avec une consommation rapide des réactants (alcalins, silice, …), son amplitude indique la sévérité de la réaction, et sa durée est relativement faible. Puis, la phase horizontale (c) où la concentration des éléments de la réaction baisse et la réaction ralentit. Cette dernière phase s’achève enfin par un léger retrait du béton qui est la phase (d) dont l’épuisement des réactants. La durée de la phase « c » est la plus longue et elle permet de juger la durée globale de la réaction. Son amplitude est relativement faible. La phase « d » marque la fin de la réaction, elle est en général très courte [Mohamed, 2004]. Figure I.11 Méthode des trois tangentes de la courbe d’expansion en fonction du temps des bétons alcali- réactifs [Larive, 1997] et [Li et al, 2000]. 39 Le coefficient d’anisotropie pour Mohamed Ibrahim entre le sens longitudinal et transversal du béton réactif vaut à 1, différemment à celui de Larive qui était 2. Cette divergence revient à la différence entre les granulats utilisés dans leurs formes, dans leurs confections par concassage ou autres, et éventuellement le sens du coulage du béton [Mohamed, 2004]. Bien entendu, la création des poches d’air qui constituent les foyers réactifs Granulat-Alcalin où réside la production du gel grâce à l’eau retenue. Ces foyers sont plus nombreux au sens longitudinal qui représente le sens de coulage [Hughes et al, 1969]. 

Fissuration et faïençage dans les bétons alcali-réactifs

La vulnérabilité des bétons massifs réside au démarrage des réactions précoces dans le domaine de l’AAR, comme dans le cas des barrages. En effet, ce béton pose des problèmes de dissipation de la chaleur d’hydratation du ciment, en maintenant de l’eau à l’intérieur de la matrice, ce qui initie plus rapidement les réactions. Il en résulte des gonflements et des déformations qui génèrent de la fissuration, favorisant ainsi la pénétration de l’humidité de l’extérieur. La nature et la granulométrie influent sur la forme d’endommagement des mortiers et notamment sur les bétons associables à la ‘RAS’. Le motif de la fissuration est bien entendu de plus en plus fort lorsque la réaction se produit dans le granulat fin plutôt que dans le granulat grossier. Même si le mécanisme de cette réaction pathologique est basé sur l’instabilité des minéraux du groupe de la silice en fonction du pH élevé. La pétrographie des bétons affectés montre que tous les gros granulats subissent de déférents indices et degrés de détériorations de la ‘RAS’ [Villeneuve, 2011]. La fracturation est justifié par une recherche faite sur des granulats : granitique, calcaire siliceux, calcaire et des Grès quartzitique. Un gel siliceux est formé ainsi à l’interface (pâte-granulat granitoïde), ce qui a permis un décollement lié à une faible cohésion (granulat- ciment). Quant aux calcaires, leur mode de réaction implique la formation de veinules de gel siliceux au sein des particules réactives. La croissance de ces veinules génère une poussée qui crée le gonflement du béton et la fissuration de celui-ci. Le mode de formation de ces veinules en réseaux restent complexes et ambigus, il est parallèle au litage des roches au sein des fissures due au concassage. Ces veinules sortent peu souvent du granulat en faibles dimensions aux auréoles de la réaction, c’est-à-dire en périphérie des particules affectées. En cas de stades avancés de l’AAR, ces 40 microfissures de la pâte de ciment contenant du gel siliceux peuvent traverser les granulats adjacents [Bérard et al, 1986]. Des granulats Grès de Potsdam dont la texture est peu poreuse et de forme arrondis, montrent de faibles effets (tardifs parfois) d’une réaction interne par diffusion des alcalis à ces granulats. Premièrement, la présence d’une auréole de réaction foncée à la périphérie des particules réactives mène à la production du gel siliceux, entraînant ainsi le gonflement des particules des granulats sous forme de « Pelure d’oignon ». Par conséquent de la réaction, le Grès orthoquartzite deviendra fortement friable car le ciment siliceux est progressivement dissous [Bérard et al, 1986]. On effet, nous ne trouvons pas de grande différence entre les ouvertures des fissures orientées ou en réseau. Ces fissures peuvent être avec ou sans exsudation des gels blanchâtres, parfois sales selon l’environnement d’exposition des ouvrages d’art. Cette coloration permet de tracer le réseau de maillage de l’AAR, pour confirmer qu’il s’agit des problèmes pathologiques alcali réactif. Il est commode de se garantir à travers des analyses chimiques sur des échantillons prélevés du béton affecté.

Fissure en réseau (Faïençage)

Un motif de fissuration est observé à la surface des parties atteintes de l’ouvrage, en l’absence de contraintes directionnelles. On remarque un motif de fissuration polygonale qu’il ne faut pas confondre avec le fin motif de fissuration provoqué par le retrait plastique, le retrait de dessiccation ou le geldégel [Mohamed, 2004]. La fissure (Y) ou « Île de Man », le craquage cette forme de fissure est la conséquence inévitable de la fissuration due à un champ de contrainte de traction biaxiale. Et où le relief par craquage est insuffisant pour modifier le champ de déformation. Selon Courtier, les spécimens cylindriques (Ø 50, H100) mm et (Ø 100, H 200) mm obtenus par carottage à partir d’une poutre sont utilisés afin d’étudier l’expansion et les fissures de l’RAS avec un béton conservé à (T 80 °C, HR 100 %). L’effet de la contrainte extérieure est d’induire les contraintes de la compression due à la réaction dans le corps du béton armé. Le confinement a tendance à améliorer les résistances vis-à-vis de la compression et la traction. Par ailleurs, des essais très sensibles sont élaborés pour déterminer la distribution des efforts à l’intérieur d’une poutre. L’expansion de l’RAS influe essentiellement sur la courbe (Contrainte- Expansion) de cette distribution (Figure I.29), cela explique le réseau des fissures pris au cours des essais. [Courtier, 1990] L’expansion à la figure I.12.a du corps du béton conduit à la génération des forces retenues à la fois dans les zones internes non réactives. De même, à n’importe quel support externe agissant de manière composite avec le corps du béton, comme renfort ou d’autres éléments structurels. La création des microfissures existant à la figure I.12.b dans la matrice du béton, entraînant ainsi un gain de résistance moindre que la normale, et dans certaines circonstances, une véritable réduction de la résistance avec le temps.