Alcali Reaction

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Rapport technique / domaine du btiment et du gnie-civil Contenu : Ractions alcali-granulats dans le btonRdaction Date : Steve Lesquereux / 2300 La Chaux-de-Fonds : 20 dcembre 2006

IntroductionPendant longtemps, on a cru que les granulats utiliss pour la fabrication du bton taient chimiquement inertes. Depuis que le phnomne dexpansion et de dtrioration prcoce du bton par lalcali-raction a t identifi pour la premire fois en 1940 dans un barrage aux EtatsUnis, le problme a t reconnu dans quasiment tous les pays du globe. Cest aujourdhui un sujet trs tudi qui est la 12me place au classement des causes de dtriorations des ouvrages en bton. La raction alcali-granulat est une raction chimique entre des granulats ractifs et les alcalins (sodium et potassium) contenus dans le ciment. Cette raction produit une expansion lintrieur du bton qui va cre des tensions, puis des gonflements et des fissures. Pour quune raction alcali-granulat puisse se dclencher, il faut que 3 conditions soient runies : une teneur suffisante en alcalins, dont la plus grande part est contenue dans le ciment mais que lon peut galement retrouver dans certains granulats (comme les verres volcaniques, les feld spats et les Micas), dans les ajouts (comme les laitiers et les cendres volantes qui contiennent beaucoup moins dalcalin actif que le ciment) et les adjuvants qui sont peu actifs. des granulats ractifs, dont le type peut faire varier la raction. Certains granulats ont une composition minralogique plus ractive que dautres. Un granulat concass sera plus ractif quun granulat roul car ses parties frachement mises nu par le concassage prsentent plus de matire ractive quun granulat roul qui aura t poli. 85 90% des granulats utiliss en Suisse pour du bton sont considrs comme ractifs. une humidit constante du bton de 70 80% qui va permettre le transport des alcalins vers les phases ractives. On entend par l que seuls les ouvrages en bton qui sont constamment en contact avec de leau comme les piscines, les murs de soutnement, les tunnels, les barrages et autres ouvrages hydrauliques contiennent assez dhumidit pour que la raction puisse se produire. On peut rajouter ces ouvrages, tous les lments en bton qui ne sont pas en contact avec leau, mais qui ont une grande paisseur, dont lhumidit ne descend pas en gnral en dessous de 70%. Dautre facteurs pourront influencer la raction comme des hausses de temprature qui peuvent largement lacclrer ou des charges alcalines externes dues aux eaux souterraines, aux eaux sulfates et aux eaux issues des sels de dverglaage.

Mur dentre dun tunnel atteint dune raction alcali-granulat

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H:\ALCALI-REACTION\RAPPORT ALCALI-REACTION.DOC

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Les types de ractionsIl existe 3 types de ractions alcali-granulats, la raction alcali-silice, la raction alcali-silicate ainsi que la raction alcali-carbonate. Seules les 2 premires nous intressent car les granulats ractifs de la 3e raction ne sont pas du tout utiliss pour la fabrication de bton en Suisse. La raction alcali-carbonate a quand mme t observe en Suisse sur de vieux ouvrages en bton. Cette raction est cre avec des granulats composs de dolomites argileuse et de calcaire grains fins avec inclusion de minraux argileux. A lheure actuelle, aucun gologue ne donnerait lautorisation dexploiter une carrire compose de ces roches. Donc nous nen parlerons pas plus dans ce rapport. Lalcali-silice et lalcali-silicate ont un processus de raction presque semblable lune de lautre. Par contre, leur temps de raction est trs diffrent. la raction alcali-silice est le type le plus courant des ractions qui se produit en gnral dans un dlai de quelques annes aprs la fabrication de llment en bton. la raction alcali-silicate qui va se produire en gnral quelques dcennies aprs la fabrication de llment en bton.Familles de roches Roches magmatiques Types de roches granites granodiorites diorites rhyolites dacites andsites basaltes obsidiennes tufs grs grauwackes siltites silex calcaires siliceux gneiss schistes mylonites quartzites cornennes

Roches sdimentaires

Roches mtamorphiques

Roches sensibles aux ractions alcali-silices et alcali-silicates

Mcanisme des ractions1/ Granulat avec acide silicique sensible aux alcalins. 2/ Grce lhumidit relative du bton, il y a une migration des ions alcalins du ciment vers les granulats. 3/ Diffusion des ions alcalins et de leau lintrieur du granulat et raction avec lacide silicique sensible aux alcalins pour former du gel de silice. 4/ Augmentation de la pression lintrieur du granulat due la poursuite de la raction et labsorption deau. 5/ Lorsque la rsistance la traction du granulat est dpasse, il y a fissuration suivie dune faible formation de gel de silice. 6/ Dsagrgation du granulat suivi dune forte formation de gel. 5 6 1 2

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Les dgtsAvec la quantit douvrages touchs en Suisse par les ractions alcali-granulats, nous avons pu relever plusieurs types de dgts. La fissuration en rseau est le dgt le plus frquemment rencontr sur les parements des ouvrages atteints par les ractions. Cette fissuration est gnralement irrgulire et peut prendre la forme dun faenage avec des mailles de petites dimensions (20 50 mm). Elle peut aussi prendre la forme dun rseau de fissures de dimension plus grande (30 40 cm). Les ouvertures des fissures sont variables suivant ltat davancement des ractions. Elles peuvent tre de quelques diximes de millimtres pour un petit faenage et atteindre quelques millimtres pour une fissuration larges mailles. La profondeur des fissures volue aussi en fonction du degr davancement des ractions. Elle peut atteindre quelques centimtres, voire se propager en profondeur jusquau stade ultime o la paroi en bton se transforme en un assemblage de moellons retenus par les armatures. Ces fissures sont souvent soulignes par une couleur blanchtre provenant de lexsudat du gel de silice qui ressort la surface du bton ou par une couleur bruntre due la corrosion des armatures. Un autre type de fissuration plus rare a t dcouvert sur certains ouvrages, cest la fissuration oriente qui reproduit sur le parement du bton le trac des contraintes rgnant au sein de llment.

Exemple de faenage soulign par la corrosion

Exemple de fissurations orientes

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Les normesContrairement aux autres pays europens touchs par les ractions alcali-granulats, la Suisse ne possde pas encore de norme, de recommandation ou de directive traitant des ractions alcali-granulats, mais les spcialistes et producteurs suisses du ciment sont actuellement en train de mettre une norme sur pied. Par contre, nos connaissances nous permettent de prendre aujourdhui certaines dispositions prventives de manire empcher le dclenchement dune raction alcali-granulat. Ces dispositions consistent : Limiter les alcalins dans le mlange de bton. Recourir des ciments composs de fumes de silice, cendres volantes et laitiers de haut fourneau. Eviter que leau nentre en contact avec le bton en mettant en uvre des mesures constructives. Lapplication de peinture sur les ouvrages touchs constitue le moyen le plus simple et le plus conomique comme protection contre leau mais son efficacit est trs faible et peut parfois se retourner contre llment lui-mme en empchant lvacuation de son humidit. la pose dune tanchit est la meilleure protection pour stopper leau dans un lment, mais il est parfois trs compliqu et coteux de poser une tanchit sur un ouvrage dj construit. La dmolition et la remise en tat de la face visible dun lment est une bonne mthode pour lui redonner de son esthtique, mais elle ne stoppe pas la raction et le fait de dmolir les parties touches peut fissurer les parties adjacentes et crer de nouvelles voies de venue deau qui faciliteront la prochaine raction. En gnral, on ne rpare que rarement un ouvrage touch par la raction alcali-granulat, mais on attend plutt que son tat devienne critique et on le dmolit compltement pour le refaire neuf, ci-cela est possible.

Les possibilits de rparationIl nexiste pas lheure actuel de traitement qui soit suffisamment efficace pour rparer dfinitivement les ouvrages malades ou de stopper lvolution des dsordres. Il y a quand mme quelques mthodes qui peuvent freiner lvolution des ractions comme : Linjection de rsines poxy dans les fissures, qui va empcher leau de rentrer lintrieur de celle-ci mais qui ne va nullement protger le reste du parement. Donc au bout dun certain temps, les fissures peuvent se rouvrir ou de nouvelles peuvent se crer proximit.

Exemple dune fissure injecte dont le cachetage sest fissur aprs la rparation

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Eviter la raction par le mlange du bton La premire solution pour viter les dsordres causs par les ractions alcali-granulats est de sapprovisionner en sable et en granulat non ractif, mais cela peut parfois causer un problme au niveau conomique et cologique car les granulats non ractifs les plus prs sont souvent trs loin. Il existe lheure actuelle un essai qui peut tre fait sur les granulats pour dfinir sils sont ractifs ou non. Cet essai sappelle microbar et consiste faire des prismes de 10x10x40mm avec un mortier compos seulement du granulat qui est souponn dtre ractif. Le granulat est finement broy et mlang du ciment. Une fois les prismes conus et durcis, ils sont mesurs, passs dans une cure de vapeur pendant 4 heures puis dans une cure alcaline sous autoclave de 6 heures et remesurs. Si aprs tout cela les primes ont un allongement infrieur 0.11% de leur longueur initiale, le granulat est considr comme non ractif. La mthode la plus utilise et la plus conomique pour empcher les ractions alcaligranulats est dutiliser des ciments avec ajouts minrales. En effet, lintroduction dadditions minrales dans les ciments peut rduire ou annuler lexpansion provoque par lalcaliraction. Les ajouts qui ont t utiliss avec succs sont : les fumes de silice qui pigent les alcalins, les cendres volantes qui pigent les alcalins et les laitiers de haut fourneau qui fixent et pigent les alcalins. A lheure actuelle, les ciments les plus bnfiques pour contrer les ractions alcali-granulats sont : Modero 3B, Fortico 5R et Normo 4 + hydrolent. Il reste encore voir si les ciments qui peuvent viter les ractions sont adapts louvrage construire. Un rapport E/C en dessous de 0.5 a pour effet daugmenter la rsistance, tout en rduisant la permabilit et la porosit du bton, ce qui va le protger contre leau et les ventuels efforts dexpansion de la raction.

Eviter la raction par les mthodes de constructionUne des 3 conditions qui est ncessaire la raction pour se produire est leau. Il faut donc empcher larrive de lhumidit au sein dun ouvrage. Un drainage avec une bonne tanchit peut rgler dfinitivement ce problme, mais aussi une bonne disposition des joints de louvrage est importante. Il faut aussi faire trs attention la pose des armatures et bien respecter lpaisseur minimale denrobage, car un fer qui ressort du bton va se corroder et crer une ouverture qui va amener de leau dans le bton. Lexcution du btonnage doit tre soigne et le bton doit avoir une bonne ouvrabilit et tre mis en place sans sgrgation, mais il faut aussi porter une attention toute particulire la cure.

0.04 Allongement % 0.03 0.02 0.01 0 0 CEM CEM CEM CEM CEM CEM CEM CEM 2 4 6 Mois I 42.5 I 42.5 + 20% cendres volantes I 42.5 + 30% cendres volantes I 42.5 HS II/A-L 32.5 R II/A-M 52.5 + 6% microsilice II/A-M 52.5 + 6% microsilice + 20% cendres volantes II/A-M 52.5 + 8% microsilice 8 10 12 14

Tests excuts sur des btons avec diffrents types de ciment, les mlanges de bton qui prsentent un taux de dilatation infrieur 0.02% aprs 5 mois sont considrs comme non sensibles aux ractions alcaligranulats.

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Lvolution de ces dernires annesDe nos jours, nous dcouvrons de plus en plus douvrages touchs par les ractions alcaligranulats, ceci vient du fait que les dosages en ciment des btons que nous utilisons lheure actuelle est plus importante que les 300 kg/m3 dautrefois. Il y a aussi une teneur plus leve en alcalin dans certains nouveaux ciments et aussi une utilisation beaucoup plus frquente de granulats concasss qui sont plus ractifs que les granulats rouls. De mme, notre exprience face aux ractions alcali-granulats nous a permis de dcouvrir que de nombreux ouvrages que lon avait cru touchs par les dgts dus au gel ne sont en fait que des dgts causs par les ractions alcali-granulats. De nos jours, il ny a encore aucun ouvrage dans le monde qui se soit effondr parce quil tait touch par lune des ractions alcali-granulats. Le vrai danger dun ouvrage qui serait atteint rside dans le fait de lclatement ventuel du bton o des plaques dune taille pouvant aller jusqu 1 m2 risquent de se dtacher et de causer un accident. Le gonflement provoqu par la raction peut aussi causer des dgts sur des ouvrages hydrauliques comme le blocage de turbines, dcluses, etc. Il faut aussi tenir compte que la raction peut causer des dgts de lordre esthtique sur les surfaces visibles des ouvrages. En rsum, vu les possibilits de rparation et leurs rsultats qui sont ralisables sur les ouvrages atteints et les diffrentes alternatives pour fabriquer un bton qui ne soit pas ractif, mieux vaut prvenir que de devoir gurir. Un conseil : si un jour, vous deviez tre confront au problme de lalcali-raction pour la construction dun ouvrage en bton, plutt que de perdre votre temps aller demander conseil un ingnieur civil qui ne pourra peine vous renseigner sur le sujet, aller directement chez les fabricants de ciment en Suisse qui pourront tout vous expliquer et vous donner une recette de bton garanti non-ractif et adapt votre ouvrage.

ConclusionNous avons vu quil fallait absolument 3 conditions ncessaires pour quil puisse y avoir une raction (1 granulats ractifs ; 2 teneur en alcalin lev ; 3 humidit relative minimum 70 80%), donc si une seule de ces conditions nest pas satisfaite, il ne sert rien de salarmer.

Bibliographie 1 TFB bulletin du ciment mai 2000 2 TFB bulletin du ciment septembre 2000 3 TEC21 15/2001 4 DESORDRES PROVOQUES PAR LA REACTION ALCALI-GRANULATS / Wood J. Remerciements: J.-G. Hammerschlag Holcim Suisse

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