ALCALIN MAGMATIQUES Granites,
II.3. Application au béton : suivi de l’expansion
Nous avons précédemment décrit le suivi de la silice depuis le granulat, sous la forme de silice libre, jusqu’au milieu réactionnel modèle permettant ainsi de déterminer la silice libre réactive. Afin d’étudier sur béton les avancements physico-chimiques et l’évolution des propriétés mécaniques en lien avec la R.A.S., il est nécessaire de développer des formulations expansives voir susceptibles de révéler un comportement pessimal.
Le principe de cette étape du travail est d’étudier deux groupes de formulations : un premier groupe de formulations dites de référence dans lequel se distinguent des bétons aux comportements non expansifs à base de calcaire non réactifs et ceux aux comportements très expansifs à base de silex reconnu comme étant réactif à effet de pessimum. Le deuxième groupe de formulations concerne des bétons à base de calcaires siliceux pour lesquelles le comportement pessimal est à démontrer.
Les deux groupes de formulations ont été soumis à deux séries d’essais en fonction de la température de cure des éprouvettes de béton. La première série d’essais est réalisée à 60° C pour accélérer le processus de réaction et vérifier le caractère potentiellement expansif des bétons dans des courts délais à savoir trois à quatre mois. La deuxième série d’essais est réalisée à 38° C. Ceci permet de se rapprocher des comportements observés aux températures réelles avec des délais de suivi qui ne soient pas trop long, à savoir douze mois. Enfin, les
Solution alcaline C-S-H et/ou C-N-S-H Réseau siliceux altérée : Q3H; Q3Na; Ca(Q3) 2 Silice initiale résiduelle (Q4) Silice dégradée: Q3H Silice initiale résiduelle (Q4) NaOH CaO 80° C HCl NaOH CaO 80° C HCl Silex
Etat initial (t=0) Echéance (t)
Granulat brut (0,16/0,63 mm) : Résidu insoluble : Calcaire Autres minéraux Après autoclavage :
Chapitre II-Méthodologie
deux groupes de formulations ont été traités à une température de référence c’est-à-dire 20° C. Cette dernière série servira de témoin.
La mise en œuvre des essais de gonflement des différentes formulations de bétons est basée en grande partie sur la norme NF P 18-454 [AFNOR, 2004a].
II.3.1. Composition des bétons
Les bétons testés peuvent être décrits comme un composite particulaire constitué :
- d’un squelette granulaire formé de sable (34 %) et de gravillons (66 %) des différents granulats;
- d’une matrice poreuse constituée par l’eau, le ciment et les alcalins ;
Les paramètres de la formulation sont un rapport gravillons sur sable (G/S) de 2 et un rapport eau sur ciment (E/C) de 0,47. L’alcalinité du béton a été portée à 5,125 kg/m3 grâce à un dopage en soude dans l’eau de gâchage malgré un apport en alcalins de 0,89 % en Na2Oeq
par le ciment. Les propriétés physiques et chimiques du ciment employé sont détaillées en annexe A.
II.3.2. Formulations étudiées au cours de tests d’expansion à 60 et 20° C
Les formulations testées sont présentées dans le tableau II.1. Les granulats employés au cours de ces essais sont:
- Le granulat à base de silex de Conchil le Temple : sable (c), gravillons (C) ;
- Le calcaire siliceux du Tournaisis : sable (t), gravillon (T) ;
- Le calcaire siliceux de Brunnen : sable (b), gravillon (B) ;
Chapitre II-Méthodologie Type de Granulat Calcaire non réactif Silex (Conchil le Temple) Calcaire siliceux (Tournaisis) Calcaire siliceux (Brunnen) Formulations nN cN nC cC tN tT bN bB Ciment (Kg/ m3) 410 410 410 410 410 410 410 410 Eau (Kg/ m3) 193 193 193 193 193 193 193 193 sable [0-4 mm] (Kg/ m3) 607 593 607 593 607 607 607 607 gravillon [4-16 mm] (Kg/ m3) 1215 1185 1215 1185 1215 1215 1215 1215
Tableau II.1 : Composition des formulations testées à 60 et 20° C
II.3.3. Formulations étudiées au cours de tests d’expansion à 38 et 20° C
Les essais à 38° C ont été réalisés pour se rapprocher de la réalité du comportement des bétons. Le tableau II.2 contient les dix formulations qui ont été définies et préparées pour ce test. Ce sont des formulations à base de granulats calcaires siliceux du Tournaisis, de Brunnen et du calcaire non réactif du Boulonnais. Le but est de décrire l’évolution du gonflement au fur et à mesure qu’augmente la proportion de gravillon calcaire siliceux réactif à partir d’une formule de type « xN » pour aboutir à une formule de type « xX » (où « x » et « X » sont respectivement le sable et les gravillons des calcaires siliceux du Tournaisis ou de Brunnen). Les quantités de matériau sont identiques à celles présentées dans le tableau II.1 pour les bétons à base de calcaires siliceux du Tournaisis et de Brunnen.
Calcaire siliceux du Tournaisis tN t 75 % N 25 % T t 50 % N 50 % T t 25 % N 50 % T tT Calcaire siliceux de Brunnen bN b 75 % N 25 % B b 50 % N 50 % B b 25 % N 50 % B bB
Tableau II.2. : Les formulations testées à 38 et 20° C
II.3.4. Déroulement des essais et suivi de l’expansion des éprouvettes
Les essais de gonflement linéique ont été réalisés par l’équipe du Laboratoire des Matériaux de Holcim Groupe Support Ltd à Eclepens. Après le gâchage du béton, trois séries d’éprouvettes de dimensions 7 x7 x 28 cm sont confectionnées. Ces dernières sont ensuite conservées à 20° C et 100% d’humidité relative (HR) avant le démoulage qui intervient après
Chapitre II-Méthodologie
24 heures. Contrairement à la norme NF P 18-454, une étape supplémentaire est introduite à savoir les prismes obtenus sont recouverts d’un film plastique et conservés pendant 7 jours à 20° C et 100% HR pour assurer un temps de durcissement suffisant avant le début des essais en bain marie aux températures choisies c’est-à-dire 20, 38 ou 60° C. Le traitement à 20 et 38°C correspond également à une autre étape non spécifiée dans la norme NF P 18-454 mais important pour connaitre le comportement des éprouvettes de béton en fonction de la température. La mesure du gonflement linéique initial réalisé à l’aide d’un rétractomètre au bout des 7 premiers jours de conservation puis aux différentes échéances choisies.
II.3.5. Critère de réactivité vis-à-vis du gonflement
D’après le fascicule FD P 18-456 [AFNOR, 2004b] la formule de béton est considérée non-réactive si les deux critères suivants sont respectés :
- le gonflement linéique moyen des trois éprouvettes est inférieur à 0,02% (limite moyenne) à 20 semaines et aucune valeur individuelle ne dépasse 0,025% (limite individuelle);
- au-delà de 20 semaines le gonflement linéique moyen des trois éprouvettes est inférieur à 0,03% (limite moyenne) et aucune valeur ne dépasse 0,035% (limite individuelle).
Donc dans le cas où l’un des critères ci-dessus n’est pas respecté le béton est dit réactif.
Au cours de cette étude seules les expansions linéiques obtenues à 20° C ont fait l’objet d’un suivi de trois éprouvettes par formulation. En effet, à 60° C comme à 38° C la mesure du gonflement linéique a été appliquée pour six éprouvettes par formulation, ce qui permet d’obtenir une moyenne assez représentative du gonflement. D’autre part, le seuil d’expansion généralement utilisé pour les essais à 38° C équivaut à 0,04% mais nous avons choisi pour toutes les campagnes d’essai de placer les barres limites de réactivité à des niveaux plus bas comme indiqué ci-dessus à savoir 0,02% à 20 semaines et 0,03% au-delà afin d’uniformiser les graphes.
II.3.6. Synthèse sur le suivi de l’expansion des bétons
Les résultats des tests de gonflement sur les éprouvettes de bétons ont été exprimés sous forme de courbes d’évolution de l’expansion en fonction du temps, comme schématisé par la figure II.2. Trois principales étapes (A, B, et C) apparaissent au cours du suivi de l’expansion : le point A correspond à l’état initial mesuré après une période de conservation à
Chapitre II-Méthodologie
20°C de 7 jours. Ces valeurs ainsi que celles mesurées sur des éprouvettes conservées à 20°C au cours du temps constituent des références pour toutes les formulations. Le point B correspond à une étape intermédiaire de l’expansion. Enfin, le maximum d’expansion à l’asymptote est matérialisé sur la figure II.3 par le point C.
Les éprouvettes prélevées aux points A et C vont servir pour la caractérisation mécanique et physico-chimique des bétons. A partir des points A, B et C, des prismes seront prélevés pour l’analyse des solutions interstitielles.
Figure II.2: Schéma de l’évolution de l’expansion linéique en fonction du temps
A) Etat initial après conservation de l’éprouvette à 20° C pendant 7 jours. B) Expansion intermédiaire. C) Expansion asymptotique