L ALCALI-REACTION DANS LES OUVRAGES EN BETON

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1 L ALCALI-REACTION DANS LES OUVRAGES EN BETON Colloque Le Pont - 9 et 10 octobre 2012 christophe.carde@lerm.setec.fr Contrôle des Matériaux Diagnostic Constructions Expertise Durabilité Innovation Matériaux

2 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 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 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

3 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

4 L A L C A L I - R E A C T I O N 3 conditions essentielles doivent être réunies 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/m 3 de Na 2 O équivalent ). Ces alcalins proviennent essentiellement du ciment, des granulats et des additions minérales 3/ une humidité élevée (HR > %)

5 L A L C A L I - R E A C T I O N 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)

6 L A L C A L I - R E A C T I O N Silex (PR ou PRP) Grès (PR) Calcaire (PR) Gneiss (PR)

7 L A L C A L I - R E A C T I O N Produits formés par la réaction Gels de composition silico-calco-alcaline pouvant évoluer vers des faciès plus cristallisés en fonction de leur maturité

8 L A L C A L I - R E A C T I O N Produits formés par la réaction Pâte de ciment Gel d alcaliréaction Granulat siliceux

9 L A L C A L I - R E A C T I O N Produits formés par la réaction

10 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 Institution of Structural Engineers (1992) 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

11 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 : ponts : élévation de la crête, blocage des vannes ou des turbines fermeture des joints de dilatation, flèche résiduelle importante, mouvements différentiels de parties d ouvrage

12 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 XIX ème siècle En 1970, confortement par un voile vertical de 40 cm, encastré de 2 m dans l encaissant Diagnostic alcali-réaction (2001)

13 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

14 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 Poutre masque en béton précontraint (écluse) Fissuration orientée

15 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 Evacuateur de crue Source IFSTTAR

16 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 Chambon

17 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 Réservoir d eau du Vallon d Ol à Marseille

18 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 Piles de pont

19 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 Culée de pont

20 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 Fissuration orientée suivant les efforts de diffusion de la précontrainte (poutre de VIPP) Source IFSTTAR

21 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 Flèche importante sur une travée d un pont dalle en béton armé (en cours de démolition) Source IFSTTAR

22 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)

23 D I A G N O S T I C Inspection de l ouvrage Réaction sulfatique interne (RSI)

24 D I A G N O S T I C Inspection de l ouvrage Gel/dégel Retrait

25 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

26 D I A G N O S T I C Méthode LPC n 36 Examen complémentaire au microscope électronique à balayage

27 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

28 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

29 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 m 2 ) 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

30 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

31 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 Distancemétrie par fil Invar Distancemétrie infrarouge Base (mini-maxi) Course 1 20 m 100 mm m Pleine échelle Extensomètre LCPC 400 mm 4 mm Pied à coulisse à grande capacité mm Pleine échelle Résolution absolue théorique Résolution relative sur base maxi 0,1 mm ,1 mm ,001 mm 2, ,01 mm Autre moyens envisageables à condition que la précision obtenue soit au minimum de 0,05 mm/m

32 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

33 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 IF 0 1 mm/m et/ou présence de fissure d ouverture > 0,5 mm IF 0 < 1 mm/m et absence de fissure d ouverture > 0,5 mm Fréquence des mesures Mesures de IF et Dm à 3,6, 9 et 12 mois Mesures de IF et Dm à 12 mois

34 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 Evolution importante DIF ou DDm 0,5 mm/m/an et/ou Df 0,2 mm/an IF 0 < 1 mm/m IF 0 1 mm/m Gonflement potentiel résiduel faible ou nul Gonflement potentiel résiduel important Ouvrage ayant été affecté par une légère alcali-réaction actuellement arrêtée ou très ralentie Ouvrage ayant été affecté par une alcali-réaction sévère actuellement arrêtée Ouvrage affecté par une alcali-réaction sévère et évolutive sans potentiel d expansion important Ouvrage affecté par une alcali-réaction sévère et évolutive avec un potentiel d expansion important

35 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 Suites à donner à l issue de la période de 1 an Ouvrage ayant été affecté par une légère alcaliréaction actuellement arrêtée ou très ralentie Ouvrage ayant été affecté par une alcali-réaction sévère actuellement arrêtée Ouvrage affecté par une alcali-réaction sévère et évolutive sans potentiel d expansion important Ouvrage affecté par une alcali-réaction sévère et évolutive avec un potentiel d expansion important Entretien général Limitation des venues d eau Fréquence de suivi Vérification sécurité Traitement particulier/réparations 3 ans ans 3 mois à 1 an 3 mois à 1 an Evaluation de la capacité portante actuelle Evaluation de la capacité portante actuelle Calcul spécifique pour capacité portante à long terme incluant les effets du gonflement Traitement des fissures et application d un revêtement de protection (après vérification de la capacité portante) Protection générale vis-àvis de la durabilité Protection générale vis-àvis de l évolution de la réaction et renforcement (précontrainte, confinement du gonflement, composite)

36 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 sur les fondations d un pont de 1925 détruit en 1944 pendant la seconde guerre mondiale Pont de 1925 Source Pont de 1952 Source

37 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) Phénomène d alcaliréaction 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) Source IFSTTAR

38 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

39 MERCI DE VOTRE ATTENTION Colloque Le Pont 9 et 10 octobre 2012 Contrôle des Matériaux Diagnostic Constructions Expertise Durabilité Innovation Matériaux