Caractérisations expérimentale et numérique des mécanismes de dégradations des granulats lors d'une alcali-réaction

M. Benoit Bary, CEA, Rapporteur

M. David Bulteel, IMT Nord Europe, Rapporteur

Mme Josée Duchesne, Université Laval – Québec, Examinatrice

M. Alain Sellier, Université Toulouse III, Examinateur

M. Stéphane Multon, INSA Toulouse, Directeur

M. Benoit Fournier, Université Laval – Québec, Co-directeur

Membres invités :

M. Frédéric Perales, IRSN, Co-encadrant

M. Matthieu Argouges, Hydro Québec, Co-encadrant

M. Adrien Socié, CEA

La réaction alcali-granulats (RAG) est une pathologie du béton, d’origine chimique, entrainant endommagement, gonflement et fissuration du matériau. Dans une structure massive, cette pathologie peut entrainer des désordres importants et être ainsi la cause d’une perte des propriétés nécessaires au service pouvant remettre en cause la sécurité des usagers. De plus, la cinétique de réaction étant lente, le diagnostic de la pathologie est souvent tardif avec des dommages internes irréversibles. Il est donc primordial d’être en mesure de prédire le comportement de ces structures endommagées, et dans ce but, d’être capable de comprendre et modéliser les mécanismes de cette pathologie. L’origine de la RAG est liée à l’attaque chimique des granulats par la solution basique du béton (ions hydroxyles et alcalins). Suite à cette attaque, les ions silicates libérés dans la solution peuvent réagir avec les alcalins et les ions calcium pour former de nouvelles phases à l’intérieur des granulats. La combinaison entre l’attaque des granulats et la formation de ces précipités dans les pores des granulats ou à l’interface granulat /pâte conduit à la fissuration de ces éléments et ainsi à l’endommagement du matériau. De par leur source naturelle, les granulats utilisés dans le béton ont des compositions minéralogiques d’une grande variabilité. Dans la littérature, les différences de natures des granulats réactifs (contenant de la silice amorphe ou mal-cristallisée) peuvent conduire à des différences de comportement, rendant difficile l’obtention d’un consensus sur les mécanismes de dégradations et leurs conséquences pour le matériau. Afin d’expliquer et de prévoir les différences constatées pour un béton de formulation identique mais contenant des granulats de composition minéralogique différente, nous avons proposés deux caractérisations complémentaires :

1. Numérique : L’objectif a été de simuler, avec un modèle de transport réactif, les mécanismes chimiques de dégradation du granulat, en détaillant l’enchainement des phénomènes : transport des ions de la pâte vers les granulats, dissolution de la silice réactive et précipitation de produits de réaction.

2. Expérimentale : L’objectif a été de caractériser les propriétés des granulats pour alimenter le modèle numérique : paramètres de dissolution (coefficient cinétique et surface spécifique) et de transport (coefficient de diffusion et porosité) et paramètres mécanique (résistance en compression et traction, module d’Young).

Ces caractérisations ont permis d’étudier l’influence, sur la dégradation chimique due à la RAG et sur l’expansion de mortier et de béton, de la taille des granulats et des différences entre granulats (caractérisées par leur composition chimique et leur propriété de dissolution rendant compte de leur potentiel de réactivité). Le travail final a porté, dans un premier temps, sur la recherche d’une corrélation entre les paramètres cinétique de diffusion et de dissolution des granulats, déterminés lors des essais en laboratoire, et la cinétique d’expansion de mortier et de béton, mesurés en laboratoire, afin de prédire les différents comportements des granulats réactifs. Dans un second temps, le modèle physico-chimique a été couplé à un modèle poromécanique existant afin de pouvoir prédire le gonflement des produits de réaction dans différents bétons atteints de RAS à partir des formulations testées lors de la campagne expérimentale. Ces corrélations offrent une nouvelle capacité de caractérisation expérimentale de la réactivité des granulats. De plus, l’outil numérique obtenu est le point de départ d’une meilleure capacité à prédire l’avancement de la réaction à l’échelle du matériau.