UTILISATION DES ADDITIONS MINÉRALES POUR
L’AMELIORATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES

LA REACTION ALCALI-SILICE 

Définition de la réaction alcali- silice

La première observation rapportée du phénomène de réaction alcali-silice (RAS) concerne un barrage de Californie en 1940. Depuis, le fait a été constaté dans presque toutes les parties du monde. En France, le premier cas constaté date de 1976 et concerne également un barrage. Le phénomène est ensuite apparu dans d’autres ouvrages, essentiellement des ponts, ce qui a entraîné le démarrage de nombreux travaux de recherche visant à comprendre et combattre ce problème. Typiquement la RAS conduit à l’amenuisement des capacités portantes des ouvrages ou à la réduction de leurs propriétés d’usage du fait de l’éclatement du béton, phénomène renforcé par les agressions exogènes favorisées par le défaut de protection ainsi initié. Sur un béton les manifestations de la RAS visibles à l’œil ou mesurables, sont des faïençages à mailles plus ou moins larges ou en étoiles, des fissurations, des exsudations blanches de gels (à ne pas confondre avec les efflorescences de chaux carbonatée), des pustules ou cratères avec des Chapitre I Revue Bibliographique 21 éclatements localisés en forme de petits cônes résultant de la réaction de gros granulats superficiels, des mouvements et déformations, un écaillage plus ou moins prononcé, la figure I. 1 illustre trois cas de dommages causés par la RAS. (a) Fissurations (b) déplacement sur appui dû à l’allongement du tablier. (c) Rupture d’un acier passif Figure I . 1. Exemples de dommages occasionnés par la RAS [Larive, 97] La RAS n’étant qu’une pathologie parmi d’autres qui peut provoquer ce type d’effets macroscopiques, un premier diagnostic demande à être confirmé par un examen du béton à très fine échelle, par exemple au microscope électronique à balayage (MEB). Il s’agit alors d’identifier les produits issus de la RAS et de visualiser les effets microstructuraux qui en résultent. Le processus chimique reconnu comme l’explication de base de la RAS est : en présence d’eau, sous l’action des alcalins (potassium et sodium) délivrés par le ciment, par les granulats euxmêmes ou par les adjuvants, la silice soluble présente dans les granulats forme un gel. La réaction type de formation des gels pourrait être la suivante : – dissolution de la silice SiO2+OH-=H3SiO-4 – dissolution de la portlandite de la pâte de ciment au fur et à mesure de la formation des ions OH- pour respecter la valeur du produit de solubilité Ks. о Ca(OH)2 →Ca2++2OH- о (Ca2+)(OH-)=Ks – la rencontre de la silice, des ions calciums et alcalins formerait un précipité, étant donné la grande variation de composition des gels rencontrés, il n’existe pas une réaction type, mais plusieurs.

Les granulats de verre et la réaction alcali- silice

Les premières études concernant l’incorporation de verre dans les bétons ; Pike, R.G., Hubbard, D. et Newman, E.S. [Pike et al., 1960], Schmidt, A. et Saia, W.H.F. [Schmidt et al., 1963] et Pattengil, M. et Shutt T.C. [Pattengil et Shutt 1973] impliquaient la réaction alcali-silice, car le verre contient une forte teneur en alcalins, susceptible d’engendrer des réactions avec les granulats. Stanton T.E. [Stanton. 1940] est le premier à avoir indiqué que la taille des particules des granulats réactifs affecte l’expansion. Il semblerait que l’expansion augmente avec le diamètre des granulats réactifs. En effet, dans le cas du verre, diverses études ont montré que diminuer la finesse du verre entrainait la RAS. Nous pouvons citer les travaux de Shao, Y., Lefort, T., Moras, S. et Rodriguez, D. [Shao et al., 2000], Shi, C., Wu, Y. , Rieflerb, C. et Wang, H. [Shi et al., 2005]  et Shayan et Xu [Shayan, A. et Xu, A. 2002 et 2006]. Pour certains auteurs 150 µm est la limite pour laquelle les bétons ne risquent pas d’être atteints de la RAS. Meyer, C. et Baxter, S. [Meyer et Baxter, 1997] ont lancé un programme expérimental sur l’étude de l’effet de la taille des granulats de verre sur les gonflements des bétons. Ainsi, différentes classes granulaires de verre de 35 µm à 12 mm ont été étudiées. Ces auteurs concluent que l’expansion était proportionnelle à la taille des grains de verre. Les travaux de Jin, C., Meyer, C. et Baxter, S [Jin et al., 2000] ont été menés sur les variations des expansions des bétons en fonction de la teneur en verre, ils ont montré que plus il y avait de verre dans les mélanges, plus l’expansion est importante, donc pas de pessimum. Cependant, pour certains auteurs, il existerait une taille de granulat pour laquelle l’expansion produite est maximale, cette taille est appelée  » pessimum « . Nous pouvons citer les travaux de Xie, Z., Xiang, W. et Xi, Y. [Xie et al, 2003] qui ont mis en évidence l’effet pessimum sur des familles de granulats de taille comprise ente 0.150 et 4.75 mm. D’après ces auteurs ce pessimum se situerait entre 1.18 et 2.36 mm. Quant à Yamada, K. et Ishiyama, S. [Yamada et Ishiyama 2005] ce pessimum serait de 0.6 mm ou même de 0.25 mm. I. 9. 3. Effet des additions minérales sur la réaction alcali-silice Dans la décennie qui a suivi les travaux de Stanton [Stanton. 1940], plusieurs auteurs ont proposé l’utilisation des additions minérales (le laitier granulé, la pouzzolane naturelle, la fumée de silice, les fillers calcaires et la poudre de verre) pour supprimer ou réduire les effets néfastes causés par la réaction alcali-silice. 

Effet du laitier granulé sur la réaction alcali-silice

Le laitier granulé pourrait être très efficace dans le contrôle de la RAS car il réduit le taux et la mobilité des alcalins dans le béton. Hester, D., McNally, C., et Richardson, M. [Hester et al. 2005] ont procédé à une évaluation comparative de deux taux d’alcalin (5 et 6 kg de Na2Oeq/m3 ) sur la potentialité de la RAS du béton. Des essais d’expansion ont été effectués sur des mélanges de béton avec du ciment Portland (CP), deux types de laitier avec teneur en alcalins différents (˂ 1 et > 1 %) et trois types de granulats. Ils ont montré que le remplacement partiel du ciment Portland par du laitier réduisait considérablement l’expansion du béton. Les bétons de laitier présentaient de très faibles vitesses d’expansion, et qu’il n’y avait pas de différence significative dans le comportement quel que soit le type de granulat ou le taux d’alcalin, ce qui indique que le taux d’alcalin du laitier n’est pas un facteur contributif à 50 % de remplacement du ciment par du laitier. Hogan, F.J., Meusel, J.W. [Hogan et Meusel. 1981] ont montré que le remplacement partiel du ciment à taux élevé en alcalin par du laitier réduit considérablement la probabilité de la RAS dans le béton. Mehta. P.K. [Mehta. 1986] a mentionné que même si le taux d’alcalin du laitier est élevé, sa solubilité dans l’environnement à PH élevé du béton peut être faible, de sorte que même un taux élevé en alcalin d’un ciment binaire peut ne pas causer de problèmes. Kwon [Kwon. 2005] a étudié l’effet du laitier granulé sur la RAS d’un béton à haute performance dosé à 450 kg/m3 de ciment, il a utilisé trois finesses de laitier 4 000, 6 000 et 8 000 cm2 /g et quatre taux de substitution de ciment : 0, 30, 45 et 60 %. Il a observé que les valeurs d’expansion Chapitre I Revue Bibliographique 23 étaient de 0.20, 0.105, 0.06 et 0.02 % pour le taux de substitution du laitier de 60, 45, 30 et 0 %, respectivement, ce qui montre que le laitier a un effet inhibiteur sur la RAS, et que la finesse du laitier avait un effet significatif. L’effet du laitier était plus important pour le taux de substitution de 30 % et une finesse de 8 000 cm2 /g, suivi de 6 000 et 4 000 cm2 /g dans cet ordre. Bouikni, A., Swamy, R.N., Bali, A. [Bouikni et al. 2009] ont étudié la réaction alcali-silice du béton avec 50 et 65 % de laitier, où un ciment Portland à haute teneur en alcalin (1 % d’oxyde de sodium) et un laitier à 0.53 % d’oxyde de sodium ont été utilisés. Ils ont montré que l’exposition continue à un régime chaud et humide a entraîné une expansion croissante, le béton contenant 65 % de laitier présentait toujours moins d’expansion que le béton incorporant 50 % de laitier aux âges correspondants. En retirant les éprouvettes de la chambre chaude pour les amener dans une ambiance sèche, les éprouvettes ont montré une réduction de l’expansion. L’exposition alternative à l’environnement chaud et humide a accéléré l’expansion. I. 9. 3. 2. Effet de la pouzzolane naturelle sur la réaction alcali-silice La pouzzolane naturelle contrôle la RAS par la diminution de la concentration des alcalins dans la solution interstitielle, l’adsorption d’eau et la réaction pouzzolanique. Daskiran, E.G. et Daskiran, M.M [Daskiran et Daskiran. 2015] ont étudié l’efficacité de deux pouzzolanes naturelles à différentes teneurs en silice réactive à contrer l’expansion due à la RAS dans des mortiers, à l’aide de la méthode accélérée (ASTM C1260). Les taux de substitutions massiques de ciment par les pouzzolanes naturelles sont 10 % et 20 %. Trois granulats réactifs S1, S2 et S3 sont utilisés pour préparer les éprouvettes de mortier (25 x 25 x 225 mm). Ils ont conclu que le remplacement de 20 % de ciment par des pouzzolanes naturelles est efficace pour atténuer les expansions dues à la RAS. Foroughi, M., Tabatabaei, R., et Shamsadeini, M., [Foroughi et al. 2012] ont étudié le potentiel de la réaction alcali-silice des mélanges de mortier avec quatre pouzzolanes naturelles provenant de différentes régions de la ville de Kerman situées dans le sud-est de l’Iran. Les pouzzolanes naturelles sont ajoutées aux mélanges en remplacement de 5, 10, 20, 35 et 50 % en masse de ciment. La méthode ASTM C 1260 a été utilisée pour prédire l’expansion des éprouvettes de mortier, après immersion dans une solution alcaline pendant 14 jours. Ils ont montré que la pouzzolane naturelle a un effet positif sur la réduction des expansions dues à la RAS. Le remplacement de 5 % du ciment par la pouzzolane naturelle qui contient plus de 5 % d’oxyde de calcium a entraîné une augmentation des expansions. Les spécifications pour l’utilisation de la pouzzolane comme alternative d’atténuation de la RAS devraient tenir compte que, à mesure de l’augmentation de la teneur en calcium de la pouzzolane, les quantités de pouzzolane utilisées dans le béton doivent également être augmentées. Ghassan. K., Al-Chaar, Mouin Alkadi et Panagiotis G. Asteris [Ghassan et al 2013] ont étudié l’effet de la substitution de ciment par deux types de pouzzolanes naturelles de différentes régions : Jordanie et Arabie saoudite sur l’expansion due à la RAS des mortiers, les taux de substitution sont 10, 20, 30 et 40 %. L’étude a été effectuée selon la norme ASTM C1260-07, à 14 jours l’expansion supérieure à 0.20 % indique que le granulat est potentiellement réactif, tandis qu’une expansion inférieure à 0.10 % indique que le granulat est non réactif. Les résultats de l’essai Chapitre I Revue Bibliographique 24 d’expansion montrent que les deux pouzzolanes naturelles réduisent considérablement les expansions des mortiers et contrôlent la RAS.