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Zitiervorschau

NOTES DE COURS : DURABILITE, PR S. KENAI

REACTION ALKALI-GRANULATS

REACTION ALKALIS-GRANULATS 1. REACTION ALKALIS-GRANULATS SILICEUX 1.1. Historique Observé en 1940 aux USA par Stanton sur des bétons fabriqués en Californie. Les principales régions où des accidents répétitifs sont signalés se situant :  Europe : Island, Danemark, Angleterre, Suède.  Amérique : USA.  Moyen orient : Arabie saoudite, ouest de la Turquie.  Afrique : Afrique de sud.  Asie : Japon et sud de l’Inde.  En Angleterre : première fois en 1971 : barrage à Jersey. 1976 : centrale électrique au sud-ouest. 1990 : plus de 30 cas ont été signalés.  En France : première fois en 1976 : barrage de Chambon. Depuis plusieurs ponts (3 déjà démoli). Au Maghreb :  Tunisie : barrage au sud.  un cas signalé dans l’ouest de l’Algérie ?? (pas de diagnostic approprié).

1.2. Définition Certains granulats siliceux réagissent avec les alcalis solubles de ciment est forment un gel expansif autour des granulats. Ce gel absorbe de l’eau et provoque une augmentation de volume qui peut provoquer des ordres allant quelques fois à la ruine de l’ouvrage.

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1.3. Exemples

AUTRE EXEMPLES



Daqing Railway Bridge, China

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

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Shek Wu Hui Treatment plant in Hong Kong

Other examples

1.4. Mécanisme des réactions Réaction nécessite 3 conditions :  Présence d’eau  source d’alkali  granulats réactifs  Attaque du granulat : a) Processus physique : Migration des ions Na+, K+, OH- de la phase liquide interstitielle vers les particules de silice réactive. b) Processus chimique : o Réaction avec les granulats et formation d’un gel de silicate alcalin et formation d’un gel. o Alkali silica gel + humidité Expansion En présence d’ions hydroxyles (OH-), la silice tend vers la dissolution en premier par la neutralisation des groupes silanol (≡Si-OH);et ensuite les groupes siloxane (≡Si-O-Si≡).

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La réaction est représentée comme suit :

 ≡Si-OH + OH-→ Si-O-+ H2O  ≡Si-O-Si≡ + 2OH-→ 2Si-O-+ H2O Les ions Si-O- chargés négativement attirent Na+ et K+. Cette réaction peut s’écrire :

 Si-OH + OH- + Na+ → Si-O-Na + H2O  Si-O-Si + 2OH-+ 2Na+ →2(Si-O-Na) + H2O 

En présence de calcium, la silice se précipite sous forme de gel sera sous forme:

(CaO-Na2O/K2O-SiO2-H2O),



Expansion du gel :  Hydratation du gel et expansion.  Dissipation du gel.

Conséquence : pression osmotique de 5 à 10 MPa et fissuration du béton.

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1.5. Sources d’alkalis      

Ciment Portland Ajouts cimentaires (laitier, CHF, pouzzolane, fumée de silice) Agrégats Adjuvants Source extérieure (eau de mer, sel de déverglace Eau de lavage

La quantité des alkalis en ciment est exprimé en : (Na2Oe = Na2O + 0.658 x K2O)

1.6. Quelles sont les roches suspectes ?  

 

Toutes les roches volcaniques extrusives (phonolites, dacites, rhyolites,…) sont potentiellement suspectes. Les roches intrusives (granites, quartzifères,…) neutres ou basique paraissent moins affectés Acide SiO2  66% ; neutre 52%  SiO2  66% ; basique 45%  SiO2  52% . Les roches avec une grande perméabilité sont plus réactives. Des dégradations sont possibles même si la variété active n’est présente qu’en faible proportion (2 à 4%). L’expansion semble être maximale à environ 5 à 7% par rapport à l’ensemble des granulats.

1.7. Diagnostic     

Exsudations des gels assez significatives (visuel et chimique). Forme de fissures (map craking). Sortie des agrégats proche de la surface. Surfaces humides autour des fissures. Temps d’apparition toujours supérieur à 1 an et généralement égal 5 à 10 ans et même 40 ans (exceptionnellement 6 mois en Afrique du sud)

Le meilleur diagnostic reste l’examen microscopique pour l’identification de la présence du gel et des agrégats qui ont réagis.

Fissure type

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1.8. Facteurs influant la réaction A.A 

Le pourcentage des agrégats réacteurs et leurs porosité Pessimum

Expansion

5 à 7% granulats réactifs



La teneur en alcalis solubles totale contenu dans le béton (Na2O + 0,65 K2O) c'est-à-dire (ciment + eau + granulats + …).



Courbe granulométrique, cas des agrégats dont le diamètre est entre 0,1 et 1 mm sont les plus réactives.



La teneur en eau, l’expansion maximale semble se situer à



La haute température accélère la réaction.

E  0,42 . C

1.9. Comment éviter ou remédier à cette réaction : Les remèdes proposés pour minimiser sont de divers ordres et de valeurs inégales : 

Ne pas utiliser les granulats réactifs et tester les trois granulats suspects.



Eviter le contact entre le béton et l’eau extérieur (conserver le béton sec et utiliser des protections étanches).



Minimiser la teneur en alcalins du ciment (ciment à moins de 0,6% ou moins de 3 kg/m3).



Utiliser un ciment au laitier ou de haut fourneau (minimum 50% laitier ou 25% CHF).



1.10.

Les bétons à air occlus semblent moins affectés.

Réactivité des granulats

 Essai chimique sur granulats: 

ASTM 389-81 repris par AFNOR NF P18-584 oct

Essai rapide

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On place un échantillon de granulats en présence de soude pendant 24 heures à 80°C et on mesure la réduction d’alcalinité de la solution et sa teneur en silice (silice dissoute).

Réduction d’alcalinité

Non réactif

Pouvant être réactif

Réactif

Silice dissoute Essai d’orientation établit sur des granulats Américain

 Essais sur mortier et béton

1.11.

Mortar bas test (ASTM 227-81) : L’essai consiste à mesurer les variations dimensionnelles de barrettes de mortier confectionnées avec les granulats envisagés et conservées à 38°C et 95% H.R. Les granulats sont considérés dangereux si l’équation :

l > 0,05% après 3 mois l l  0,1% après 6 mois l L’inconvénient de l’essai est sa longue durée. 12

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Accelerated Mortar Bar Test CSA A23.2-25A;    

 

Aggregate/cementitious material = 2.25 W/CM = 0.5; Portland cement = 0.8 to 1.0% Na2Oe by mass of Portland cement Mortar bars, 25 x 25 x 250 mm, stored in 1M NaOH at 80°C for 14 days ∆𝑙 = 0.1%

Avantages: o Rapide: 16 jours + temps de préparation des granulats Inconvénients: o Très aggressive:  1NNaOH solution d’immersion  immersion à 80°C o il ne peut pas être utiliser pour détreminer l’effet de l’alkalinité du ciment. o Faux positive pour les gros granulats :  UT Austin a trouvé plus de 10 sources de granulats en in TX qui passent C1260 mais ne passent pas C1293

Concrete Prism Test CSA A23.2-14A ;     

ASTM C 1260/ C 1567

ASTM C 1293

420 kg/m3 cementitious material NaOH added to yield 1.25% Na2Oe by mass of Portland cement 0.42 W/CM 0.45 Concrete prisms75 x 75 x 250 mm (min) Stored over water at 38oC (and nominally 100% RH) for 2 years ∆𝑙 = 0.04 %

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Avantages: 

More realistic than C1260

Inconvénients     

1 year evaluation for aggregates 2 year evaluation for SCM’s Leaching of alkalies during test Non‐Reactive Aggregate Issue Accelerated Version of CP

1.12.

Schéma de l’étude d’un béton lorsque l’on peut craindre cette réaction Calculer la teneur en alcalins du béton envisagé

Essai chimique

Poursuivez Poursuivez

Oui

Non

Satisfaisant

Non

 3 kg/m3

Oui

Satisfaisant

Poursuivez

Spécifier unun ciment composé ou ciment à faible teneur Spécifier ciment composé ou ciment à faible t en alcalis

alcaline

Mortar bas test

Poursuivez

Oui

Poursuivez

Non

Spécifier un ciment à base teneur en alcalis

Poursuivez

1.13.

Solution

Il n’y a pas d’expérience dans la réparation des structures endommagées par ce type de réaction. La seule solution réside dans la réduction du mouvement d’eau vers le béton en réparant les joints et les drainages si le béton est sec, on applique une couche étanche en béton projeté ou autre produits. 14

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1.14.

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Effet sur la structure :

Des essais sur un pont en Afrique du sud en 1982 ont montré : 

Développement de la réaction très lent.



Au début  Rc n’est pas influencée

 Rt et E diminuent  Les fissures augmentent le risque de gel et de corrosion.  A l’état avancé, Rc peut être réduite et le risque de décollement de morceaux de béton est grand.

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1.15.

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Effet des ajouts cimentaires (laitier, pozzolane, ..)

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2. REACTION ALCALIS – GRANULATS – CALCAIRES :  Processus moins connu à part dans le proche orient et découvert plus tardivement.  La réaction est différente de la réaction alcali-silice : o Absence d’une quantité importante de gel; Effet non assuré de l’ajout du laitier et pouzzolane.

o

Mais similaire du point de vue : o

Influence du pourcentage d’alcalis dans le ciment ;

o

Forme de fissures.

- Le premier cas a été signalé en 1955 dans l’Ontario avec des granulats dolomitique (excès de Mg et Ca). - En présence d’alcalis, la dolomite se décompose suivant la réaction (R = Na ou K) :

On remarque que ROH est régénérée et donc en principe la dégradation de la dolomite se poursuit indéfiniment, d’où le nom de « dédolomitisation ». On n’a pas d’expansion importante mais la diminution de Rc due à la couche blanche ( e  2cm ) autour des granulats. - La prévention réside en : o Utilisation de ciment à faible teneur en alcalis (  0,40% ) o Elimination, autant que possible, de calcaires dolomitique - Il n’y a pas de pessimum - Une réaction alcalis-silice peut se superposer sur cette réaction si les calcaires contiennent de la silice.

-

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