L’ALCALI-REACTION DANS LES OUVRAGES EN BETON€¦ · dans les bétons entre les ciments et...
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une société du groupe
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Contrôle des Matériaux Diagnostic Constructions Expertise Durabilité Innovation Matériaux
L’ALCALI-REACTION DANS LES OUVRAGES EN BETON
Colloque Le Pont - 9 et 10 octobre 2012
une société du groupe
I N T R O D U C T I O N
1. Années 1930 : premières observations de réactions chimiques pathologiques
dans les bétons entre les ciments et certains granulats aux Etats-Unis
2. A partir des années 1940, la nature des réactifs en cause dans cette
pathologie est précisée, et la dégradation du béton par l’alcali-réaction est
identifiée dans d’autres pays à travers le monde (Australie, NZ, Afrique du
Sud, Chine, Canada …)
3. En Europe, l’alcali-réaction a été identifiée dès le début des années 1950 au
Danemark, puis Allemagne dans les années 1960
4. En France, ce n’est qu’à la fin des années 1970 que la présence
d’alcali-réaction est attestée dans quelques barrages, puis dans des ponts
ensuite dans les années 1980
5. En 1994, Publication des « Recommandations pour la prévention des
désordres dus à l’alcali-réaction » (LCPC) qui est actuellement le texte de
référence en France
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L ’ A L C A L I - R E A C T I O N
Réaction, en présence d’eau, entre des phases minérales
présentes dans certains granulats et les alcalins contenus
dans la solution interstitielle du béton : formation de
produits expansifs
Trois types d’alcali-réaction :
la réaction alcali-silice
la réaction alcali-silicate
la réaction alcali-carbonate
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L ’ A L C A L I - R E A C T I O N
1/ Présence de granulats potentiellement réactifs (PR)
contenant une teneur suffisante en phases siliceuses
réactives (opale, calcédoine, cristobalite, verres siliceux,
µquartz de recristallisation, quartz déformés ou fissurés)
2/ Concentration suffisante en alcalins (Na,K) dans la solution
interstitielle du béton (> 3 kg/m3 de Na2Oéquivalent).
Ces alcalins proviennent essentiellement du ciment, des
granulats et des additions minérales
3/ une humidité élevée (HR > 80-85 %)
3 conditions essentielles doivent être réunies
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Les granulats
Granulats Non Réactifs (NR)
Granulats Potentiellement Réactifs (PR)
roches magmatiques : granites, basaltes, tufs …
roches métamorphiques : gneiss, micaschistes, quartzite …
roches sédimentaires : grès, calcaires, accidents siliceux …
Granulats Potentiellement Réactifs à effet de Pessimum (PRP)
Granulats particuliers qui peuvent être à l’origine de désordres dans
les ouvrages s’ils sont utilisés dans une plage de valeurs pessimales
(pas de désordres s’ils sont dosés en forte proportion)
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Silex (PR ou PRP) Grès (PR)
Calcaire (PR) Gneiss (PR)
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Gels de composition silico-calco-alcaline pouvant évoluer vers
des faciès plus cristallisés en fonction de leur maturité
Produits formés par la réaction
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Produits formés par la réaction
Granulat
siliceux
Pâte de
ciment
Gel
d’alcali-
réaction
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Produits formés par la réaction
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C O N S E Q U E N C E S D E L ’ A L C A L I - R E A C T I O N
Conséquence au niveau du béton
diminution significative de la
résistance à la traction et
du module d’élasticité,
perte plus modérée de la
résistance à la compression
Conséquence au niveau de l’ouvrage
les contraintes internes liées à l’alcali-réaction viennent se
superposer aux contraintes existantes dans l’ouvrage,
même si les bétons armés et précontraints résistent mieux au
gonflement, ces contraintes peuvent entraîner des surtensions
dans les armatures passives et les câbles de précontrainte
expansion de la structure et fissuration lorsque l’état de
contraintes est supérieur à la résistance à la traction du béton
Institution of Structural Engineers (1992)
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M A N I F E S T A T I O N D E S D E S O R D R E S S U R L E S O U V R A G E S
Les dégradations observées sur les ouvrages sont le résultat moyen
des effets localisés de la réaction :
fissuration en réseau et faïençage
fissuration orientée (en fonction du champs de contrainte au
sein des structures en BA ou BP)
mouvements et déformations :
• barrages : élévation de la crête, blocage des vannes ou
des turbines
• ponts : fermeture des joints de dilatation, flèche
résiduelle importante, mouvements différentiels
de parties d’ouvrage
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M A N I F E S T A T I O N D E S D E S O R D R E S S U R L E S O U V R A G E S
Barrage du Goeland St Pierre et Miquelon
Mur en béton cyclopéen de la fin
du XIXème siècle
En 1970, confortement par un
voile vertical de 40 cm, encastré
de 2 m dans l’encaissant
Diagnostic alcali-réaction (2001)
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M A N I F E S T A T I O N D E S D E S O R D R E S S U R L E S O U V R A G E S
Barrage du Goeland St Pierre et Miquelon
Reconstruit en 2007-2008
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Poutre masque en béton
précontraint (écluse)
Fissuration orientée
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Evacuateur de crue
Source IFSTTAR
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Barrage du Chambon
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Réservoir d’eau du Vallon
d’Ol à Marseille
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Piles de pont
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Culée de pont
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Fissuration orientée suivant les efforts de
diffusion de la précontrainte (poutre de VIPP)
Source IFSTTAR
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Flèche importante sur une travée d’un pont
dalle en béton armé (en cours de démolition)
Source IFSTTAR
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D I A G N O S T I C
Inspection de l’ouvrage dans le cadre des règles de gestion
commune du patrimoine
reconnaissance de signes pouvant être indicatifs d’un
phénomène d’alcali-réaction (faïençage, etc …)
mais …
… les signes visibles peuvent être similaires à ceux observés
pour d’autres phénomènes pathologiques (RSI, gel/dégel,
retrait)
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D I A G N O S T I C
Inspection de l’ouvrage
Réaction sulfatique interne (RSI)
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D I A G N O S T I C
Inspection de l’ouvrage
Gel/dégel Retrait
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D I A G N O S T I C
Prélèvement d’échantillons dans l’ouvrage pour essais en laboratoire
méthode LPC n° 36 (recherche de gels
par fluorescence des ions uranyles)
examens au microscope électronique à
balayage,
essais complémentaires : examen
pétrographique, dosage des alcalins dans
le béton (méthode GranDuBé), mesure de
l’expansion potentielle résiduelle
(méthode LPC n° 44)
Mise en évidence de
l’alcali-réaction dans les
bétons
Qualification et estimation
du potentiel de la réaction
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D I A G N O S T I C
Méthode LPC n° 36
Examen
complémentaire au
microscope
électronique à balayage
une société du groupe
D I A G N O S T I C
Mesure de l’expansion potentielle résiduelle (LPC n° 44)
Mesure du gonflement libre d’éprouvettes extraites de l’ouvrage et
conservées à 38°C et 100 % HR pendant 1 an
Er (µm/m/an)
Qualification de l’expansion résiduelle
< 100 µm/m/an Négligeable
100 à 500 µm/m/an Modérée
> 500 µm/m/an Importante
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S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Aide à la gestion des ouvrages atteints de réactions de gonflement
interne (LCPC, novembre 2003)
Définition d’un niveau de priorité
(1 = zone vitale de l’ouvrage atteinte ou
2 = pas de zone vitale atteinte)
Définition d’une méthodologie de suivi
pendant un an (fissuration, déformation,
T°C, humidité)
Diagnostic approfondi et pronostic
d’évolution de la réaction
Suites à donner à l’issue de la période
de 1 an
Logigramme décisionnel
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S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Caractérisation de la fissuration (méthode LPC n° 47)
relevé des ouvertures de fissures interceptées le long de 4 axes
divisés en segments de 10 cm (sur une surface de 1 m2)
calcul de l’ouverture moyenne par fissure et de l’ouverture moyenne
par mètre pour chaque axe
IF (indice de fissuration) = moyenne globale sur les 4 axes (mm/m)
IF (mm/m) Fissuration
0 à 0,5 Négligeable
0,5 à 1 Faible
1 à 2 Modérée
2 à 5 Forte
5 à 10 Très forte
> 10 Considérable
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S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Suivi de fissures caractéristiques
mise en place de fissuromètres pour suivi de l’ouverture (Df)
mise en place, en parallèle de capteurs de température ambiante et
dans le béton (une variation de 1 °C engendre une variation de
0,01 mm/m) et éventuellement de capteurs d’humidité
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S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Suivi de la déformation de l’ouvrage par distancemétrie
évaluer les déformations globales de l’ouvrage dans le temps
valeurs de déformation par distancemétrie (Dm)
Moyen de mesure Base
(mini-maxi) Course
Résolution absolue théorique
Résolution relative sur base maxi
Distancemétrie par fil
Invar 1 – 20 m 100 mm
0,1 mm
5.10-6
Distancemétrie
infrarouge 3 – 100 m
Pleine
échelle
0,1 mm
1.10-6
Extensomètre LCPC 400 mm 4 mm 0,001 mm
2,5.10-6
Pied à coulisse à
grande capacité 500 – 1500 mm
Pleine
échelle
0,01 mm
20.10-6
Autre moyens envisageables à condition que la précision obtenue soit au
minimum de 0,05 mm/m
une société du groupe
S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Exemple d’instrumentation d’une pile de pont
Distancemètres
Fissuromètres
Sondes T°C et H
une société du groupe
S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Programmation des mesures pendant la première année de suivi
Critère Fréquence des mesures
IF0 ≥ 1 mm/m
et/ou
présence de fissure d’ouverture > 0,5 mm
Mesures de IF et Dm à
3,6, 9 et 12 mois
IF0 < 1 mm/m
et
absence de fissure d’ouverture > 0,5 mm
Mesures de IF et Dm à
12 mois
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S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Conclusions à l’issue de la période de 1 an
Evolution peu importante
DIF ou DDm < 0,5 mm/m/an
et Df < 0,2 mm/an
IF0 < 1 mm/m
Ouvrage ayant été affecté par une
légère alcali-réaction actuellement
arrêtée ou très ralentie
IF0 ≥ 1 mm/m
Ouvrage ayant été affecté par une
alcali-réaction sévère actuellement
arrêtée
Evolution importante
DIF ou DDm ≥ 0,5 mm/m/an
et/ou Df ≥ 0,2 mm/an
Gonflement
potentiel résiduel
faible ou nul
Ouvrage affecté par une
alcali-réaction sévère et évolutive
sans potentiel d’expansion
important
Gonflement
potentiel résiduel
important
Ouvrage affecté par une
alcali-réaction sévère et évolutive
avec un potentiel d’expansion
important
une société du groupe
S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S
Entretien
général
Fréquence
de suivi
Vérification
sécurité
Traitement
particulier/réparations
Ouvrage ayant été affecté
par une légère alcali-
réaction actuellement
arrêtée ou très ralentie
Limitation
des venues
d’eau
3 ans - -
Ouvrage ayant été affecté
par une
alcali-réaction sévère
actuellement arrêtée
3 ans
Evaluation de la
capacité portante
actuelle
Traitement des fissures et
application d’un
revêtement de protection
(après vérification de la
capacité portante)
Ouvrage affecté par une
alcali-réaction sévère et
évolutive sans potentiel
d’expansion important
3 mois à
1 an
Evaluation de la
capacité portante
actuelle
Protection générale vis-à-
vis de la durabilité
Ouvrage affecté par une
alcali-réaction sévère et
évolutive avec un
potentiel d’expansion
important
3 mois à
1 an
Calcul spécifique
pour capacité
portante à long
terme incluant les
effets du
gonflement
Protection générale vis-à-
vis de l’évolution de la
réaction et renforcement
(précontrainte, confinement
du gonflement, composite)
Suites à donner à l’issue de la période de 1 an
une société du groupe
R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T S P O S S I B L E S
Pont de Terenez (Finistère)
Pont suspendu reconstruit en 1951-1952 sur les fondations d’un pont de
1925 détruit en 1944 pendant la seconde guerre mondiale
Pont de 1925 Source www.antreizh.fr
Pont de 1952 Source www.antreizh.fr
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R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T S P O S S I B L E S
Pont de Terenez (Finistère)
Source IFSTTAR
Phénomène d’alcali-
réaction diagnostiqué dans
les années 1980
Mise en place d’un suivi
spécifique à partir de 1992
assorti de différents travaux
(injection des fissures,
renforcement par
composite)
une société du groupe
R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T P O S S I B L E S
Pont de Terenez (Finistère)
Construction d’un nouveau pont à haubans mis en service en 2011
L’ancien pont, qui n’est plus en service, sera démoli
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Contrôle des Matériaux Diagnostic Constructions Expertise Durabilité Innovation Matériaux
MERCI DE VOTRE ATTENTION
Colloque Le Pont – 9 et 10 octobre 2012