FD P18 542 Granulats Alcali-Réaction [PDF]

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FD P18-542 Février 2004

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ISSN 0335-3931

FD P 18-542 Février 2004 Indice de classement : P 18-542

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Granulats

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Critères de qualification des granulats naturels pour béton hydraulique vis-à-vis de l'alcali-réaction E : Agregates — Criteria for qualification natural agregates for hydraulic concrete with respect to the alkali-reaction D : Gesteinskörnungen — Natürliche Gesteinskörnungen für hydraülischen Beton: Eignungskriterien der Alkalireaktion gegenüber

Fascicule de documentation publié par AFNOR en février 2004. Remplace le fascicule de documentation P 18-542, de mai 1994.

Correspondance

À la date de publication du présent document, il n'existe pas de travaux européens ou internationaux traitant du même sujet.

Analyse

Dans la série des normes P 18... qui concernent les granulats le présent document définit la conduite des opérations à effectuer pour procéder à une qualification de granulats vis à vis de l'alcali réaction et donne les critères d'interprétation des résultats des essais.

Descripteurs

Thésaurus International Technique : granulat, béton, béton hydraulique, qualification, réaction chimique, alcali, analyse chimique, essai, stabilité dimensionnelle, résultats d’essai, classification.

Modifications

Par rapport au document remplacé, modifications d’ordre technique et rédactionnel.

Corrections

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1er tirage 2004-02-F

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Granulats

BNSR GRA

Membres de la commission de normalisation Président : M ROUDIER Secrétariat :

M DESCANTES — LCPC M M M M M MME M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M

AUSSSEDAT BARCIET ROUDIER BRESSON COQUILLAT DECREUSE DELALANDE DELORME DELORT DESCANTES DESMOULIN DUPONT DUPRAY EXBRAYAT GAND GONNON GROSJEAN HAGER HAWTHORN HESLING HUVELIN JEANPIERRE MIERSMAN MISHELLANY MORIN PASQUIER PEREME PIKETTY PIMIENTA RELLIER ROBINET ROUDIER ROUSSEL SOURZAT VERHEE WAGNER

UNPG SNCF LCPC CERIB CEBTP ATCG LRPC LRPC ATILH LCPC USIRF SETRA LRPC USIRF UNPG OMYA SAS UNM SNCF UNPG AFNOR UNPG EDF SURSCHISTE LRPC SNCF EUROVIA CTPL PIKETTY FRERES CSTB UNPG [EUROVIA] SNCF LCPC LRPC UNPG USIRF AFNOR

Membres du Groupe de travail Animateur : M LEROUX — LCPC M M M M M M M M M M M

BOLLOTTE DELORT HAWTHORN HASNI HORNAIN HUVELIN JEANPIERRE LINGER MICHEL VECOVEN MORIN

CTG ATILH UNPG CEBTP LERM RMC EDF VINCI CONSTRUCTION LAFARGE HOLCIM DTA SNCF

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Sommaire Page 1

Domaine d'application ....................................................................................................................... 4

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Références normatives ..................................................................................................................... 4

3

Termes et définitions ......................................................................................................................... 4

4

Généralités ......................................................................................................................................... 5

5

Conduite d’une opération de qualification de granulats vis-à-vis de l’alcali-réaction ................ 6

6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 6.4.1 6.4.2

Méthodes d’analyses et d’essais de qualification des granulats et interprétation des résultats .......................................................................................................... 7 Généralités .......................................................................................................................................... 7 Méthodes pétrographiques .................................................................................................................. 7 Essais de qualification — Méthodes de référence (Article 5 de la norme XP P 18-594) ..................... 8 Essai accéléré à l'autoclave sur mortier (Paragraphe 5.1 de la norme XP P 18-594) ......................... 8 Essai long terme (Article 6 de XP P 18-594) ....................................................................................... 9 Essais de qualification — Variantes .................................................................................................... 9 Essai accéléré «Microbar» (Paragraphe 5.2 de la norme XP P 18-594) ............................................. 9 Essai de «cinétique chimique» (Paragraphe 5.3 de la norme XP P 18-594) ....................................... 9

7

Rapport ............................................................................................................................................. 10

Annexe A

(informative) .................................................................................................................................... 11

Bibliographie ..................................................................................................................................................... 13

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Domaine d'application

La norme XP P 18-540 prévoit, dans son paragraphe 10-3-3, de classer conventionnellement les granulats vis-à-vis de l'alcali-réaction : — soit comme non réactifs (NR) ; — soit comme potentiellement réactifs (PR) ; — soit comme Potentiellement Réactif à effet de Pessimum (PRP). L'objet du présent fascicule est de donner les moyens qui permettent de classer un granulat donné vis-à-vis de l'alcali-réaction. Il définit comment doivent être conduites les opérations de qualification d'un échantillon de granulat ou de roche vis-à-vis de l'alcali-réaction, en s'appuyant sur des analyses et des méthodes d'essais normalisées. Il donne, pour chacun des essais, les critères d'interprétation. La caractérisation des granulats vis-à-vis de l'alcali-réaction est faite sur des échantillons préparés conformément à la norme NF EN 932-2. La réactivité d’un granulat est jugée à partir d’essais décrits dans la norme XP P 18-594. Le présent document ne traite pas de la dédolomitisation, (mise en solution sans effet mécanique du carbonate de magnésium), pouvant se produire avec certaines roches dolomitiques. On ne connaît pas, à cette date, en France, de cas de ce type ayant entraîné des désordres. Chaque essai de la norme XP P 18-594 doit être utilisé strictement dans son domaine de validité. Ce dernier est défini pour chaque essai, et des précisions complémentaires figurent dans ce document.

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Références normatives

Le présent document comporte par référence datée ou non datée des dispositions d'autres publications. Ces références normatives sont citées aux endroits appropriés dans le texte et les publications sont énumérées ci-après. Pour les références datées, les amendements ou révisions ultérieurs de l'une quelconque de ces publications ne s'appliquent à ce document que s'ils y ont été incorporés par amendement ou révision. Pour les références non datées, la dernière édition de la publication à laquelle il est fait référence s'applique. XP P 18-540, Granulats : Définitions, conformité, spécifications. NF EN 932-2, Essais pour déterminer les propriétés générales des granulats — Partie 2 : Méthodes de réduction d’un échantillon de laboratoire. NF EN 12620, Granulats pour béton hydraulique. XP P 18-594, Granulats — Méthodes d'essai de réactivité aux alcalins.

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Termes et définitions

Pour les besoins du présent document les termes et définitions suivants s'appliquent. 3.1 La dénomination NR s'applique à des granulats pour bétons hydrauliques qui, quelles que soient leurs conditions d'utilisation, ne conduiront pas à des désordres par alcali-réaction. 3.2 La dénomination PR s'applique à des granulats susceptibles, dans certaines conditions, de conduire à des désordres par alcaliréaction.

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3.3 La dénomination PRP s'applique à des granulats qui, bien que riches en silice réactive, peuvent être mis en œuvre sans risque de désordres si leur utilisation satisfait aux conditions décrites dans le document «Recommandations pour la prévention des désordres dus à l’alcali-réaction». 3.4 Essai crible c'est un essai qui met en œuvre une procédure fortement accélérée capable de diagnostiquer, en moins d'une semaine, la réactivité aux alcalins d'un granulat en NR, PR ou PRP. 3.5 Essai long terme c'est une procédure de diagnostic qui bien qu’accélérée comparée aux cinétiques de réaction observées sur les ouvrages est suffisamment proche des conditions réelles pour prendre en compte la sensibilité effective des granulats. D'autre part, couplée à la diagnose pétrographique, elle permet la caractérisation des PRP. Enfin, lorsqu'il il y a divergence entre la qualification issue de l'essai crible et celle qui est donnée par l'essai long terme, c'est la qualification obtenue avec ce dernier qui sera retenue. 3.6 Essai de référence c’est une procédure opératoire propre à l’essai crible dont l’utilisation doit être privilégiée. 3.7 Essai alternatif c'est une procédure opératoire qui peut se substituer à l’essai de référence mais, en cas de contestation, seul le résultat de l’essai de référence sera pris en compte. 3.8 C/G rapport massique de la quantité de ciment sur la quantité de granulats.

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Généralités

On désigne par alcali-réaction un ensemble de réactions chimiques dans lesquelles interviennent : — certaines formes de silice ou de silicates, pouvant être présentes dans les granulats ; — et les alcalins des constituants du béton. En présence d’eau et en l'absence de précautions particulières, ces réactions peuvent conduire à des désordres. Le risque de désordres dépend du comportement de l’ensemble du squelette granulaire. Pour prévenir ce risque, il est donc nécessaire de qualifier séparément toutes coupures granulaires destinées à l’usage des bétons hydrauliques. Il n'existe pas de test spécifique pour qualifier les fines lorsqu'elles constituent un élément utilisé séparément des sables. (voir l’Article 5). La prévention des désordres dus à l'alcali-réaction nécessite que les granulats soient qualifiés soit comme «Non Réactifs» (NR), soit comme «Potentiellement Réactifs» (PR) soit enfin comme «Potentiellement Réactifs à effet de pessimum»( PRP). Cette dernière qualification est subordonnée à la présence de certaines espèces minérales siliceuses beaucoup plus facilement solubles en milieu alcalin. Dans ce cas, le risque d'expansion n'existe que lorsque ces espèces minérales sont en proportions voisines d'une certaine plage de valeurs critiques dites «pessimale». Pour des proportions d'espèces réactives situées au-delà de cette plage, ils pourront être utilisés comme le seraient des granulats non réactifs, sous réserve que les conditions particulières décrites à l’Article 9 des «Recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction», soient satisfaites. [1]. La Figure 2 illustre la notion de pessimum. Les granulats potentiellement réactifs (PR), peuvent en général être utilisés dans les bétons, sans risque de dégradations ultérieures, sous réserve du respect des prescriptions des «Recommandations» en vigueur [1].

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Conduite d’une opération de qualification de granulats vis-à-vis de l’alcali-réaction

L'opération de qualification doit être conduite de manière à conclure quant à la réactivité d'un granulat ou d'un mélange granulaire vis à vis des alcalins. La démarche pour y parvenir est schématisée sur la Figure 1. Elle demande avant toute autre opération que soit réalisée une identification puis une étude pétrographique des matériaux étudiés décrites en 6.2. NOTE L’attention est attirée sur l’importance de la représentativité de l’échantillon pour que l’opération de qualification puisse s’appliquer au lot à qualifier.

Suivant les informations recueillies, la qualification pourra être obtenue directement, ou en mettant en œuvre l’essai crible, ou en ayant recours à l'essai long terme. *)

Figure 1 *) Si la qualification PR est jugée suffisante, la démarche peut être arrêtée.

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NOTE la qualification PRP issue de l'essai correspond à un matériau où la teneur en silex est comprise entre 40 % et 70 %. La mesure de variation dimensionnelle correspondante est caractérisée par une réponse inférieure au seuil de l'essai long terme qualifiant un matériau de réactif.

Commentaires Si le matériau contient des silex, des jaspes ou des radiolarites, trois cas sont envisagés : — la fourniture en contient plus de 70 %, dans ce cas la qualification est directe et le matériau est PRP ; — la fourniture en contient entre 40 et 70 %, dans ce cas, la réponse du matériau à l'essai crible ne peut être que PR ; ou PRP ; — la fourniture en contient moins de 40 %, dans ce cas la réponse du matériau à l'essai crible sera PR ou N. Dans ces deux derniers cas, lorsque la qualification PR est obtenue, l’essai long terme peut être lancé pour qualifier définitivement le granulat. Lorsque l’essai crible rapide de qualification donne un résultat de mesure se situant à moins de 10 % de la limite granulat non réactif/granulat potentiellement réactif, il est nécessaire de le confirmer par une autre mesure ou de qualifier le matériau à l’aide de l’essai long terme. D'une façon générale, lorsqu'il n'y a pas concordance entre les conclusions des analyses chimiques minéralogiques ou pétrographiques et les résultats de l'essai crible ou en cas de divergence entre une qualification initiale et une qualification destinée à un chantier donné, il est nécessaire de procéder à l’essai long terme. En cas de divergence confirmée, il faut se référer au dossier carrière et à la qualification de l’Entité Géologique Exploitable concernée : — vérification de son homogénéité ; — vérification de la maîtrise du processus d’élaboration etc. Seules ces vérifications confirmeront ou infirmeront la représentativité de la qualification obtenue par rapport à la qualification initiale. En l’absence de Dossier Carrière, ou en cas de doute sur les éléments le constituant, il peut être utile de se référer à la qualification de base régionale (qualification des mêmes produits dans le même contexte géologique…).

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Méthodes d’analyses et d’essais de qualification des granulats et interprétation des résultats

6.1

Généralités

Il existe deux groupes de méthodes permettant de caractériser les granulats vis-à-vis de l'alcali-réaction : — les méthodes pétrographiques associées à l'analyse chimique (voir en 6.2) ; — les essais de stabilité dimensionnelle (voir en 6.3 et 6.4).

6.2

Méthodes pétrographiques

Elles font appel à tout ou partie des techniques analytiques de base : — examen lithologique ; — examen pétrographique sur lame mince ; — analyse chimique élémentaire.

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Remarques : Les examens et comptages minéralogiques sur gravillons de roches alluvionnaires, se font sur chaque coupures commercialisées, de préférence après réduction à la granulométrie des sables. Pour les sables de roches alluvionnaires, l'examen et le comptage minéralogique se feront sur lame mince. Ces techniques de bases sont complétées si besoin est, par des méthodes telles que : — diffraction des rayons X ; — examen au microscope électronique à balayage de surfaces polies après attaque [4]. Les critères de non-réactivité : L'identification des minéraux présents peut permettre de s'assurer de la non-réactivité de roches meubles ou massives ou de granulats élaborés. Une roche ou un granulat est diagnostiqué par la pétrographie comme Non-Réactif (NR) si l'un des critères quantitatifs suivants est satisfait : Cas des roches carbonatées : — l'analyse révèle une teneur en silice (SiO2) inférieure à 4 % [5] et aucune concrétion siliceuse (silex, chailles) n’est identifiée dans le gisement. Cas des roches siliceuses types quartzites ou grès : — dans ces roches, la pétrographie doit montrer qu'il n'y a pas de microquartz de recristallisation souvent d'origine tectonique ; leur recherche peut être guidée par la présence de quartz à extinction ondulante qui leur sont généralement associés. Cas des roches silicatées (granite, gneiss, andésite, basalte etc) : — ces roches ont des compositions pétrographiques variées, les indices de réactivité doivent, comme dans le cas précédent, être recherchés dans la présence de microquartz de recristallisation mais aussi dans l'existence de phase vitreuse ou de variété de silice, comme la cristobalite et/ou la tridymite parfois en vacuoles.

6.3 6.3.1

Essais de qualification — Méthodes de référence (Article 5 de la norme XP P 18-594) Essai accéléré à l'autoclave sur mortier (Paragraphe 5.1 de la norme XP P 18-594)

L'essai s'applique aux sables, aux gravillons et aux mélanges granulaires. Cet essai est l'essai crible de référence. Il est considéré comme un crible en ce sens qu'un granulat pour lequel l'expansion moyenne est inférieure au seuil peut être qualifié de Non Réactif alors qu'une valeur supérieure au seuil donnant une qualification PR peut être contrôlée en faisant appel à l'essai long terme. C'est un essai rapide (durée 5 jours) qui porte sur des éprouvettes de mortier 4 cm × 4cm × 16 cm, avec cure à l'autoclave. Critères de non-réactivité. Expansion inférieure à 0,15 % sur la moyenne des 3 résultats. Critères des granulats PRP : — la qualification PRP est obtenue lorsque, l’échantillon contenant plus de 40 % de silex, il vérifie la condition suivante : le résultat correspondant au rapport C/G =1,25 est supérieur de plus de 10 % au résultat obtenu avec le rapport C/G=0,5. Le rapport C/G = 2.5 sert à valider la qualification PRP des résultats obtenus avec le rapport C/G = 1.25.

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6.3.2

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Essai long terme (Article 6 de XP P 18-594)

Cet essai permet la qualification d'un échantillon de sable ou d'un gravillon quelle que soit la coupure pourvue que celle-ci soit compatible avec une formule de béton, en mesurant l'expansion d'éprouvettes 7 cm × 7 cm × 28 cm. Lors de la réalisation de cet essai, la nature pétrographique et chimique du granulat complémentaire, sable ou gravillon, doit être clairement identifiée et sa qualification doit être NR. Idéalement il s'agit d'un granulat calcaire dont la teneur en silice doit être inférieure à 4 % Exemple : — pour tester un sable 0/4 mm, le gravillon complémentaire pour confectionner le béton des éprouvettes doit satisfaire la condition ci-dessus ; — Pour tester un gravillon ; -

s'il s'agit d'une coupure de type 4/8 mm, 8/14 mm, la formule est celle d'un béton au squelette granulaire discontinu et le sable doit satisfaire la condition ci-dessus dans le cadre de la procédure explicitée dans la norme d'essai correspondante ;

-

s'il s'agit d'un gravillon de type 4/20 mm, 4/14 mm, la formule est celle d'un béton classique respectant la procédure prévue dans la norme d'essais correspondante.

Critère de Non-Réactivité : — l'allongement relatif moyen des 3 éprouvettes testées doit être inférieur au seuil de 0,04 % à l’échéance de 8 mois.

6.4

Essais de qualification — Variantes

La qualification d'un échantillon peut être obtenue, ou contrôlée, en faisant appel à l'un des essais crible alternatifs suivants, dans les limites de leur domaine de validité. En cas de contestation, la qualification obtenue à partir de l'essai de référence sera la seule retenue.

6.4.1

Essai accéléré «Microbar» (Paragraphe 5.2 de la norme XP P 18-594)

Cet essai mesure 1'allongement relatif moyen d'éprouvettes de mortier confectionnées avec l'échantillon à tester, pour 3 valeurs du rapport C/G : 2, 5 et 10 conformément à la procédure opératoire décrite dans la norme d'essai XP P 18-594 en 5-2. Le diagnostic de qualification est «Potentiellement Réactif» (PR) lorsqu’au moins une valeur moyenne (en général celle correspondant au rapport C/G =2) est supérieure au seuil de 0,11 %. La qualification peut être, dans ce cas, vérifiée en faisant appel à l’essai long terme. Critères des granulats PRP : — l'échantillon est qualifié de Potentiellement Réactif à effet de Pessimum, PRP, lorsque la valeur moyenne correspondant au rapport C/G =5 est supérieure de plus de 10 % à celle correspondant au rapport C/G = 2. Critère de Non-Réactivité : — lorsque l’allongement est inférieur à 0,11 %, l'échantillon est qualifié de Non-Réactif.

6.4.2

Essai de «cinétique chimique» (Paragraphe 5.3 de la norme XP P 18-594)

Il s'agit avant tout d'un essai de laboratoire orienté vers la recherche et la compréhension des mécanismes gouvernant la dissolution de la silice en milieu alcalin. Il est donc de ce fait destiné à faciliter la compréhension des résultats d'autres tests difficiles à interpréter. Il peut cependant être une alternative à l'essai crible de référence.

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Cet essai mesure, à 3 échéances de temps (24, 48 et 72 heures), la quantité de silice libérée par l'échantillon testé, sable, gravillon ou mélange, préalablement broyé et attaqué à chaud par une solution de soude suivant le processus opératoire décrit en 5.3 de la norme d'essai XP P 18-594. La valeur du rapport SiO 2 ⁄ Na 2 O , exprimé en millimole/litre est reportée sur un graphe qui comprend un champ inférieur pour les échantillons NR, un champ moyen pour les échantillons PR et un champ supérieur pour les échantillons PRP (la Figure 3 en annexe présente le graphe de qualification). Lorsque le matériau à essayer contient plus de 15 % de carbonate, il doit être préalablement décarbonaté par une attaque à l'acide. Les résultats pouvant être perturbés par certaines formes de minéraux silico-alumineux, il est recommandé de ne pas utiliser cet essai lorsque la teneur en Al2O3 est supérieure à 5 %.

7

Rapport

Le rapport établi par le laboratoire à l'issue d'une étude de qualification de granulat vis-à-vis de l'alcali-réaction doit comporter : — l'identification précise, et toutes les informations utiles (origine, date et mode de prélèvement,) relatives aux échantillons remis au laboratoire ; — le mode de préparation des échantillons pour essai ; — l'identification pétrographique du granulat ou du mélange granulaire étudié ; — l'identification et l’évaluation quantitative des espèces minérales potentiellement réactives ; — les résultats détaillés des mesures effectuées tels que spécifiés sur la norme d'essai ; — la conclusion : qualification du granulat découlant de l'interprétation des résultats des études et essais effectués en s'assurant de leur cohérence.

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Annexe A (informative)

Init numérotation des tableaux d’annexe [A]!!! Init numérotation des figures d’annexe [A]!!! Init numérotation des équations d’annexe [A]!!!

Init numérotation des tableaux d’annexe [B]!!! Init numérotation des figures d’annexe [B]!!! Init numérotation des équations d’annexe [B]!!!

Figure A.1 — Illustration de la notion de pessimum Lorsque les teneurs en alcalins sont inférieures à 0,6 % le gonflement demeure en deçà des limites considérées comme les valeurs responsables de désordres ultérieurs et ce, quelque soit la teneur en granulat réactif. Pour des teneurs en alcalins supérieures à ce seuil, lorsque les teneurs en opale croissent, les allongements mesurés augmentent et ce, d'autant plus que la teneur en alcalins du milieu croit. Enfin, pour chacune des teneur en alcalin et ce dès 0,4 %, on constate qu'au delà d'un certain seuil en granulats réactifs variable avec la teneur en alcalins, les allongements décroissent pour revenir à des valeurs inférieures au seuil critique d'apparition des désordres.

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Figure A.2 — Test cinétique : réactivité potentielle de type alcali-silice Commentaires : Les matériaux appartenant •

à la zone NR sont : non réactifs ;

•

à la zone PR sont : potentiellement réactifs ;

•

à la zone PRP sont : potentiellement réactifs avec effet de pessimum.

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Bibliographie

[1]

Recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction. Publication : LCPC — Juillet 1994.

[2]

Granulats pour bétons hydrauliques : guide pour l'élaboration du dossier carrières ; document annexé aux recommandations provisoires pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction : Document LCPC UNPG — publication LCPC — Juillet 1994.

[3]

Les alcalis-réactions — Recommandations Mai 1990 FNB — FNTP — SNBATI — Annales ITBTP — JuilletAoût 1990.

[4]

Méthodes pétrographiques d'étude d'alcali-réaction — LCPC — Revue de l’AIGI — A. LE ROUX — Janvier 1991.

[5]

Réactions silico-alcalines : mise au point de méthodes fiables Roger RANC, Danielle SORRENTINO, Bernard CARIOU — Annales ITBTP N° 480 — Janvier 1990. Compléments et discussion : André CORNEILLE, Roger RANC — Annales ITBTP n° 499 — Décembre 1991.

[6]

Attaque alcaline des granulats : mise au point d'un test cinétique. D.SORRENTINO, Serge SABIO, Danielle JUNIQUE — Annales ITBTP N° 499 — Décembre 1991.

[7]

Techniques de mesures. Coopération CEBTP-LCPC sur l'alcali-réaction. Michel SALOMON, Jean-Louis GALLIAS, Jacques CLAUDE, Jeanne-Sylvine GUEDON — Annales ITBTP N° 512 — Mars-Avril 1992.

[8]

Essai accéléré sur mortier Microbar P 18-588 A. CRIAUD, C. DEFOSSE, C. VERNET. Séminaire AFREM/MRT : Prévention des désordres liés aux phénomènes d'alcali-réaction — Juillet 1992.