Visualisation des produits de l'alcali-réaction par fluorescence Extension de la méthode au diagnostic sur ouvrage

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1 Visualisation des produits de l'alcali-réaction par fluorescence Extension de la méthode au diagnostic sur ouvrage Jeanne-Sylvine GUÉDON Docteur en Géologie, ITPE François MARTINEAU Technicien André LE ROUX Chef de la section Géologie et matériaux naturels Division Géologie de l'aménagement et de l'environnement Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Rappels historiques du phénomène RESUME Les produits d'alcali-réaction les plus préjudiciables pour les structures en béton se présentent sous la forme d'une solution colloïdale hétérogène ayant la texture d'un gel permettant un certain nombre d'échanges de cations, tant avec le système interne qu'avec le système externe. Une nouvelle méthode de détection de ces produits d'aleali-réaction a été utilisée sur plusieurs types de béton en vue d'en tester la fiabilité et la reproductibilité. Cette méthode est basée sur la fluorescence, sous une longueur d'onde de rayons ultra-violets durs, des ions uranyl lorsqu'ils s'adsorbent sur ce substratum amorphe et perméable. Le test réalisé sur plusieurs compositions et âges de béton a pour but de mettre en évidence le caractère général de la méthode et sa réponse relative aux produits de l'alcaliréaction. Ces résultats autorisent un diagnostic rapide obtenu à faible coût. MOTS CLÉS : Béton hydraulique Alcali-réaction (chim.) - Gel (chim.) - Détection Fluorescence - Amorphe - Uranyl. Depuis le diagnostic établi par Stanton en Californie vers 1940, de nombreux ouvrages de par le monde se sont trouvés atteints par cette «maladie» du béton qu'est l'alcali-réaction. Si les régions du globe où affleurent les vieux socles précambriens montrent assez souvent des désordres, il faut bien reconnaître que la presque totalité des roches peut être impliquée. Ceci n'a rien de surprenant dans la mesure où ces réactions trouvent leur origine dans le déséquilibre de certains minéraux au sein du milieu hyperbasique que constitue le béton. Si le phénomène d'alcali-réaction a été identifié pour la première fois en France vers 1970 au sein de quelques barrages, il faut attendre le milieu des années 80 pour le voir s'étendre aux ouvrages routiers. Tous les types d'ouvrages sont susceptibles d'être touchés : immeuble, pont, route, barrage ; ainsi que toutes les parties : mur, pile, tablier, culée, chaussée. Cette réaction, ou plus exactement ces réactions, provoquent l'expansion du matériau, initialisant une fissuration pouvant aller jusqu'à un faïençage plus ou moins serré. Les manifestations les plus spectaculaires s'observent dans les barrages par la suppression des joints de dilatation ou la modification des alignements des pièces mécaniques. Les vides créés sont autant de drains dans le béton permettant la pénétration de l'eau et d'autres produits extérieurs au système mais également néfastes, tels les sels de déverglaçage, par exemple, qui s'insinuent au coeur de la structure. Pour les ouvrages routiers les fissures favorisent la corrosion des armatures, celles-ci se dilatent alors et provoquent de nouvelles fissures. Bull, liaison Labo. P. et Ch mai-juin Réf

2 Les dégradations consécutives à l'alcali-réaction apparaissent de diverses façons, mais, parmi les symptômes, la fissuration évolutive est souvent la plus fréquente. Les autres manifestations telles que petits cratères, exsudats, efflorescences ou décolorations peuvent ou non l'accompagner. La fissuration anarchique évolutive est aussi souvent soulignée par une humidité latente montrant que la réaction est en pleine évolution. Il nous a été donné de constater une fissuration anarchique totalement sèche caractérisant un matériau en fin d'évolution. Suivant les structures examinées, les désordres peuvent être : une fissuration en réseau et faïençage à différentes échelles, une fissuration orientée, des mouvements de déplacement et de déformation, une décoloration de la surface ou la présence de taches sur les parements, des efflorescences ou des exsudats, des petits cratères. Le processus de dégradation apparaît irréversible dans la mesure où la fissuration créée ne peut se cicatriser en régénérant des espèces liantes. La littérature signale néanmoins des cas où la réaction semble interrompue [1]. Si le seul moyen efficace de se prémunir contre le phénomène réside dans la prévention, le diagnostic se révèle être la démarche indispensable préalable à toute décision concernant les moyens à mettre en oeuvre pour permettre la «vie normale» de l'ouvrage [2]. L'objectif actuel est de développer des méthodes rapides permettant d'identifier les causes des désordres dans les ouvrages, de reconnaître avec un bon degré de certitude l'existence des réactions et de prévoir leur comportement pathologique éventuel. La méthode que nous avons développée essaie de répondre à cette attente et propose un moyen simple pour déceler la présence de gel d'alcali-réaction ; elle devrait permettre aussi d'apprécier son abondance, donc de suivre l'évolution de la réaction. Quelques rappels sur la chimie des alcalis-réactions La réaction, au sens chimique du terme, consiste en la dissolution de la silice faiblement mobilisable dans la solution interstitielle basique du béton. L'origine des désordres doit être recherchée dans un déséquilibre des minéraux au sein d'une solution où le ph voisine 13. Ce ph va entraîner des mises en solution et modifier la composition initiale de la solution interstitielle du béton. Cette nouvelle répartition des produits dans le système fait appel à la mobilité de la silice, qui résulte de la rupture du réseau siliceux au niveau des ponts siloxanes Si-O-Si, rupture facilitée par les conditions de ph, et la nature cristallographique de la silice mise enjeu. Les ions silicium libérés vont pouvoir se combiner avec les alcalins disponibles du système (Na +, K +, Ca ++ ) et favoriser l'adsorption d'eau. La silice est un polyélectrolyte gélatineux capable de gonfler en absorbant du liquide [3]. La formation des gels silico-calco-alcalins hydratés à structure primaire amorphe est décrite comme une réaction d'échange entre la surface des granulats siliceux et la solution interstitielle, provoquant l'expansion, la fissuration et parfois l'exsudation. Elle est qualifiée dans la littérature de réaction alcali-silice. Elle peut affecter des roches silicatées mais intéresse toujours la silice des réseaux silicates. Un autre type de réaction dégradante est la réaction sulfatique. Elle résulte d'une interaction entre les sulfates provenant du milieu extérieur ou des granulats, sur les aluminates contenus dans la pâte ou les granulats, pour former l'ettringite. Cette ettringite est un trisulfoaluminate de calcium hydraté répondant à la formule: 3 CaO, A1203, 3 CaS0 4, 32 H 20, et cristallisant dans le système hexagonal. Qu'il s'agisse d'une réaction sulfatique et/ou d'alcali-réaction, le phénomène d'altération chimique ou «vieillissement» du béton fait intervenir une consommation de portlandite (Ca(OH)2) et le remplacement de celle-ci par des produits plus ou moins gonflants. De par leur nature cristallographique fondamentalement opposée, amorphe et cristallisée, le gel et l'ettringite feront appel à des mécanismes différents pour conduire à la dégradation des ouvrages. Une bonne méthode de diagnostic devrait autoriser la dichotomie alcali réactionréaction sulfatique. C'est ce que nous avons recherché avec la méthode de visualisation des gels par fluorescence des ions uranyl. Utilisation d'une nouvelle méthode de visualisation des gels Face à des produits pathogènes ayant des implications plus ou moins importantes dans le phénomène, une estimation de la phase amorphe pourrait permettre d'affiner le diagnostic concernant l'état d'avancement de la réaction. Cette méthode fait appel aux propriétés physico-chimiques spécifiques des produits, en particulier de la solution colloïdale silicatée et ses capacités d'échange de cations adsorbés. Ce gel permet un échange avec le milieu extérieur par l'absence de réseau régulier. L'ion uranyl U complexé dans l'acide acétique dilué, proposé par Natesaiyer et Hover [4, 5, 6, 7], sert de révélateur. Il a été choisi : pour ses capacités de fluorescence sous une lumière UV dure, pour la rapidité de sa réponse à l'excitation lumineuse (moins de cinq minutes), et surtout, pour ses capacités d'adsorption avec les cations spécifiques du gel tels le sodium, le calcium et le potassium, puisqu'il réémet un rayonnement visible dans les tons jaune-vert. 22

3 PHOTO 1 - Béton de quartzite (carotte provenant d'un pont). PHOTO MEB 6004 PHOTO MEB 6004 L'auréole jaune-vert entourant le gravillon est composée d'un gel lisse et craquelé, visible sur la partie droite du cliché MEB. La partie gauche de la photo MEB présente le quartzite partiellement envahi par le gel. PHOTO 2 Béton de quartzite (éprouvette). La fluorescence est circonscrite dans un pore, agrandi environ 18 fois sur la partie gauche de la photo MEB, et 100 fois sur la partie droite. Le gel est lisse et craquelé. PHOTO MEB

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5 PHOTO 6 - Lumière Blanche. PHOTO 6 bis - Lumière UV. PHOTO MEB

6 PHOTO 7 Section polie d'un béton d'ouvrage au sein de laquelle ressort le réseau de fissures souligné par le gel, fluorescent, les remplissant. PHOTO 8 - Essais sur le chantier. La photo supérieure présente une culée de pont fortement fissurée, périodiquement surveillée. La photo inférieure présente un ancien carottage, légèrement rafraîchi au marteau observé en fluorescence. PHOTO 8 bis 26

7 Ces caractéristiques sont autant d'avantages dans le domaine du diagnostic par : la mise en évidence du gel par rapport au reste du béton ; méthode du tout ou rien autorisant une appréciation en deux dimensions de l'importance des produits de réaction et une localisation directionnelle des fissures (quand celles-ci sont remplies par le gel) ; la sélectivité des produits amorphes (fluorescents jaune-vert) et cristallisés (non fluorescents). Dans le but de valider cette technique, nous l'avons testée sur des produits manufacturés tels que la tridymite et la cristobalite, qui se sont révélés non fluorescents car cristallisés, et sur du gel de silice artificiel qui a été fluorescent car amorphe ; la possibilité d'un traitement informatisé des images en couleur obtenues. Quelques résultats de visualisation des gels Dans une première note technique, nous avons précisé la méthode actuellement testée au LCPC [8], et l'avons appliquée à l'étude d'un béton de laboratoire. Pour aller plus loin dans la démarche d'investigation de la méthode, il nous a semblé important de l'étendre à d'autres bétons plus anciens, et surtout à des bétons de chantier, observés ou non sur le site. Notre fil conducteur a été d'établir une image en fluorescence d'une section suspecte puis à vérifier les produits émetteurs, au Microscope Électronique à Balayage (MEB), dont la sonde nous fournit une analyse élémentaire qualitative. Les gels de réaction ont été observés sur des bétons provenant d'ouvrages en service, sur des éprouvettes fabriquées en laboratoire, et enfin sur des gravillons ayant été soumis à une attaque alcaline simulant les conditions de ph régnant dans le milieu béton. Les matériaux auscultés sont présentés en fonction de la nature pétrographique de leur gravillon. Cette démarche analytique montre que la méthode n'est pas limitée à quelques types de granulats mais intéresse la totalité des bétons dès lors qu'ils sont dans un état où la réaction peut être qualifiée d'activé, c'est-à-dire productrice d'un gel suffisamment récent pour ne pas avoir acquis une structure cristalline. Le gravillon utilisé est un quartzite ordovicien. La photo 1 présente deux carottes prélevées sur l'ouvrage et soumises au test ; on remarque une auréole jaune-vert entourant le gravillon. Celle-ci, plus ou moins large, est formée d'un gel lisse et craquelé (photo MEB 6004, partie droite du cliché). La partie gauche présente le quartzite partiellement envahi par le même gel. L'analyse à la sonde confirme la composition traditionnelle des gels où se reconnaissent silicium, calcium et potassium. Éprouvette de béton Le béton fabriqué en laboratoire contient un quartzite géologiquement contemporain du précédent. L'observation aux UV (photo 2) révèle des caractéristiques identiques à celles précédemment décrites. L'observation au MEB montre un gel lisse craquelé identique en composition (photo MEB 5183). Gravillon quartzitique Deux sections de quartzite, polies, ont été soumises à une attaque alcaline simulant les conditions extrêmes de ph régnant dans le béton. Après 72 h d'immersion à 80 C dans une solution 2N de soude additionnée d'eau de chaux, les échantillons sont traités à l'acétate d'uranyl puis illuminés aux UV pour en obtenir la photo 3. Les deux faciès 1 (chert)* et 2 (brèche)** ont réagi ; la confirmation au MEB nous donne les photos 6127 et Le faciès 1 fin, plus fluorescent, laisse voir un gel assez alvéolaire mais recouvrant toute la surface de la préparation. Le faciès 2, grossier, est moins fluorescent, le gel se forme plus difficilement, mais surtout de façon moins régulière à cause de l'état de cristallinité du quartz. La méthode, permettant d'obtenir un résultat rapide, peut donc être utilisée comme un complément aux méthodes existantes autorisant le choix des granulats. Béton de calcaire Fragment provenant d'un pont Le gravillon utilisé est un calcaire sombre. La photo 4 présente un fragment de ce pont où, après traitement, se différencient deux intensités de fluorescence. La plus intense (la plus jaune) localisée dans les pores (photo MEB 5986), provient de la réponse d'un gel lisse, craquelé, de composition silico-calco-potassique, à la stimulation ultraviolette. La moins intense (de couleur plutôt verte, photo MEB 5987), localisée à la surface des gravillons calcaires, correspond à un gel ne contenant pas de potassium. Il semble donc, à la vue de ces constatations, que l'intensité de fluorescence, ainsi que Béton de quartzite Carottes provenant d'un pont * chert : accidents siliceux (rognons, nodules) en milieu carbonate intéressant les formations antérieures au Crétacé. ** brèche : roche naturelle constituée d'au moins 50 % d'éléments anguleux, de dimensions supérieures à 2 mm, liés par un ciment de nature variable (carbo-silico-ferrugineux). 27

8 sa couleur, dépendrait de la plus ou moins grande teneur en potassium (ou dans ce cas précis de la présence ou de l'absence de K) : couleur jaune intense, gel riche en K (spectre MEB 5982), couleur verte, gel exempt de K (spectre MEB 5985B). L'intensité de fluorescence peut donc dépendre de deux facteurs : l'état de cristallinité du support et la teneur en potassium du gel. Béton de rhyolite Fragment provenant d'un barrage Le gravillon utilisé est une rhyolite permienne. La photo 5 ne dévoile aucune fluorescence ni intense, ni diffuse. Les investigations réalisées au MEB ont révélé la présence d'ettringite en très grande quantité (photo MEB 5993) par rapport au gel qui est discret voire totalement absent. Ceci est une confirmation sur un matériau de chantier des observations faites sur des échantillons de synthèse, à savoir que : seuls les matériaux amorphes permettent l'adsorption des ions uranyl et leur réaction en retour à la stimulation ultraviolette, une structure cristallisée telle l'ettringite ne répond pas à la sollicitation lumineuse, car les ions uranyl n'ont pas pu pénétrer dans le réseau. Béton de basalte Carotte provenant d'un barrage Le gravillon utilisé est un basalte. La photo 6, prise en lumière non ultraviolette (dite naturelle), souligne une auréole blanchâtre autour des gravillons sombres. Après traitement, il s'avère que cette auréole émet une fluorescence jaune intense parfaitement concordante avec ces zones claires (photo 6bis). De plus, cette fluorescence correspond à un gel lisse craquelé, de composition calco-potassique (photo MEB 4521). Sur cette photographie, on peut noter la coexistence d'un gel lisse calco-potassique et de cristaux d'ettringite en gerbe. Autres utilisations de cette technique de mise en évidence de substances amorphes dans les bétons Quantification de la microfissuration Sur un échantillon poli, imprégné puis éclairé, on peut mettre en évidence le réseau fissurai, lorsque celui-ci est comblé par le gel. Les microfissures ainsi mises en évidence permettent d'effectuer, outre une quantification des fissures, en terme de longueur et d'écartement, mais aussi en terme de direction(s). Sur la photo 7, il est possible de déterminer les directions principales du réseau. Si l'échantillon est repéré par rapport à l'ouvrage dont il est issu (dans les trois directions de l'espace), et si le nombre d'échantillons est statistiquement représentatif, il est pensable de pouvoir déduire les grandes directions de faiblesse de la structure. Approche de la cinétique de la réaction Sur une même surface traitée puis éclairée à deux moments différents, il serait possible d'appréhender la cinétique de la réaction, en fonction de l'étendue des zones répondant au stimuli lumineux, et en fonction de l'intensité du rayonnement réémis. Ceci peut s'interpréter comme un changement d'état de la substance remplissant le pore, dans le sens de la cristallisation. Une prochaine note développera cet aspect de la recherche sous la forme d'une succession de photographies prises à différents moments. Extension de la méthode sur ouvrage Un des avantages de cette méthode est la légèreté du matériel nécessaire à l'auscultation, d'où la possibilité de se déplacer facilement sur les lieux des désordres, même dans des conditions précaires. Un essai a été fait sur un ouvrage présentant tous les signes extérieurs de réaction, à commencer par une fissuration intense en réseau et à plusieurs échelles, (photo 8). Un carottage ancien nous a permis, après un léger rafraîchissement au marteau, d'obtenir une image à quelques six-sept centimètres de profondeur, et sur une section d'une quinzaine de centimètres de diamètre (photo 8bis). Un problème se pose encore quant à l'observation sans carottage dans la mesure où la laitance du parement en béton forme une sorte de carapace empêchant la pénétration de la solution imprégnante et son action sur le gel plus interne. Il s'avère néanmoins possible, moyennant un carottage peu profond, d'avoir des images qui pourront être comparées dans le temps et ainsi permettre une surveillance de l'ouvrage. Conclusions Les avantages de cette méthode de mise en évidence des produits de l'alcali-réaction par fluorescence des ions uranyl sont multiples : la sélectivité des produits mis en évidence : amorphes : gel-fluorescence, cristallisés : ettringite-non fluorescence ; son coût relativement faible, se limitant à l'achat d'une lampe UV durs (et des systèmes de protections visuelles obligatoires à cause de la nocivité des rayonnements émis) et d'un produit chimique relativement courant, l'acétate d'uranyl ; la légèreté du matériel permettant une autonomie autorisant le déplacement et le diagnostic sur ouvrage ; 28

9 le temps de réponse correspondant au temps de développement de la pellicule photographique ; la possibilité de traitement des photographies par analyse d'image, et, pourquoi pas, dans l'avenir une prise d'images directe par l'intermédiaire d'un caméscope, et traitement informatique instantané, après numérisation ; la possibilité d'obtenir un suivi sur ouvrage à échéance aussi fréquente qu'il est nécessaire, et à autant d'endroits accessibles sur l'ouvrage «malade», et ce, en de nombreux points limités par leur seule accessibilité. Il conviendrait toutefois, avant de lancer cette méthode pour les études de routine, de mener une étude plus fine et systématique quant à la ségrégation de tous les éléments du béton réagissant à la fluorescence. Un exemple a pu être donné dans le cas d'un feldspath alcalin du type orthose où la fluorescence était dans les tons rose (influence du potassium?). Il ne faut jamais perdre de vue que le diagnostic obtenu est uniquement limité par la présence des produits amorphes de la réaction, la longueur d'onde de la lampe, et n'intéresse que la surface du béton éclairé. Dans la tendance actuelle de mise en œuvre d'essais rapides sur béton, cette méthode pourrait trouver sa place à cause de son caractère de diagnostic, mais il conviendra probablement de réaliser des investigations complémentaires en multipliant les natures pétrographiques des granulats. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] CIGB-ICOLD (1991), Alcali-réaction dans les barrages en béton - Aperçu général et recommandation, Commission Internationale des Grands Barrages, Bulletin, 79, 157 p. [2] LEROUX A., GODART B. (1991), Recommandations provisoires pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction, LCPC, janv., 50 p. [3] DENT GLASSER L. (1979), Osmotic pressure and swelling of gels, Cernent and Concrete Research, vol.9, 4, juil., pp [4] NATESAIYER K., HOVER K.-C. (1988), In situ identification of ASR products in concrete, Cement and Concrete Research, 18, pp [5] NATESAIYER K, HOVER K.-C. (1989), Some field studies of the new in situ method for identification of alkali silica reaction products, 8th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Kyoto, Elsevier. [6] NATESAIYER K., HOVER K.-C. (1989), Further study of an in situ identification method for alkali silica reaction products in concrete, Cement and Concrete Research, 19, pp [7] NATESAIYER K., HOVER K.-C. (1990), Field studies of the in situ technique for identification of alkali silica reaction products in concrete, abbreviated text of presentation made at 2nd International Workshop on AAR, Halifax, mai. [8] GUÉDON J.-S., MARTINEAU F. (1991), Mise en évidence du gel d'alcali-réaction par fluorescence dans un béton âgé de un an, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 175, sept.-oct., pp