Chapitre 3. Matériaux et méthodes
3.2 Méthode expérimentale
3.2.2 Description et préparation des matériaux
3.2.2.1 Les granulats 3.2.2.1.1 Granulats réactifs
Les descriptions pétrographiques et les informations sur la provenance géologique des différents granulats réactifs testés dans le cadre de ce projet de maitrise sont tirées d’une part des travaux de caractérisation réalisés par d’anciens étudiants du département de géologie et de génie géologique de l’Université Laval (Béland, 2020 ; Drolet, 2017 ; Villeneuve et coll., 2010) et d’autre part des publications d’autres chercheurs bien connus (Bérard et Lapierre, 1977 ; Bérard et Roux, 1986). Cette partie présente donc, de façon sommaire, la géologie et la minéralogie des granulats réactifs utilisés ainsi que leurs comportements documentés dans les essais normalisés.
• Granulat réactif d’origine (GRO)
Ce granulat a été échantillonné lors d’une campagne de terrain réalisée en 2016, après des prélèvements préliminaires en huit endroits dans le secteur du barrage à l’étude. Les examens pétrographiques réalisés dans le cadre du projet de maitrise de Béland (2020) ont montré que le principal constituant du GRO est aussi un métagrauwacke avec une matrice siliceuse de quartz micro à cryptocristallin, contenant parfois des proportions mineures de biotite et de chlorite et aussi de gabbro dans une moindre mesure.
Le potentiel de réactivité alcaline de ce granulat a été mis en évidence par la réalisation d’essai d’expansion accélérée sur barres de mortier conformément à la norme CSA A23.2-25A. Une expansion de 0,24 % à 14 jours dépassant la limite admise par la norme (0,15 %) a été enregistrée. En outre, l’analyse chimique de ce granulat a montré qu’il est très riche en SiO2 (62,7 %), et qu’il contient une quantité considérable de Al2O3 (17,0 %), Fe2O3 (5,85 %), MgO (3,33 %), Na2O (2,64 %), K2O (2,69%) et de CaO (2,40 %).
• Granulats du béton du barrage à l’étude (GRB)
Les granulats extraits des carottes de béton prélevées dans le barrage à l’étude au niveau de la Centrale et de la prise d’eau ont été caractérisés par Béland (2020) dans son travail de maitrise. Les particules, dont les dimensions varient entre 5 et 80 mm, ont été regroupées en trois classes granulaires : 5-20 mm, 20-40 mm et 40-80 mm. Les examens pétrographiques réalisés (sur lames minces) ont permis d’identifier six faciès. Les quatre premiers faciès sont des métagrauwackes de couleur grise à noire et à grains de dimension fine à grossière. Ces faciès sont composés d’une matrice très fine de quartz micro- à cryptocristallin avec plus ou moins de séricite, de biotite, de chlorite et de grains de quartz plus ou moins grossiers. Des traces d’épidote, de muscovite, de feldspaths et de sulfure de fer ont aussi été observées dans certains cas. Le faciès 5 est un gabbro et le faciès 6 est constitué de fragments de quartz/épidote.
Les faciès 1 à 4 représentent environ 94 % du granulat et ont montré des indices de réactivité alcaline (auréoles de réaction, fissures ouvertes remplies par des produits de la RAS, fissures pénétrant dans la pâte de ciment à partir des particules de granulats réactifs). Les faciès 5 et 6 comptent respectivement pour 1,9 % et 4,4 % du granulat et n’ont pas montré d’indices de réactivité alcaline.
• Grès de Potsdam
Ce matériau provient de la région de Beauharnois, située à une trentaine de kilomètres au sud-ouest de Montréal. Il appartient à la formation de Châteauguay, du groupe de Potsdam, datant du Cambrien supérieur. Le principal constituant est le quartz sous forme de grains de sable arrondis. La cimentation peut être calcareuse, siliceuse (ou orthoquartzites), mixte calcareuse et siliceuse. En outre, on peut rencontrer les minéraux secondaires suivants : feldspaths, dolomie, minéraux micacés et argileux, pyrite, zircon, chert et d’autres minéraux rares. Le matériel réactif correspond au ciment siliceux interstitiel aux grains de sable arrondis de la roche (Bérard et Lapierre 1977, Lu et coll. 2006).
Un nombre important de structures incorporant ce granulat présentent des phénomènes d’expansion, de fissuration et de détérioration sévères (barrages, ponts, viaducs, mur de soutènement, etc.). L’un des cas les plus connus est le barrage de Beauharnois (Bérubé et coll., 2000).
• Gravier de Sudbury
Ce granulat provient d’une gravière dans le bassin de la région de Sudbury, qui est un kame deltaïque. Il est composé principalement d’un mélange de roches sédimentaires du précambrien moyen. Il contient en outre des fragments de roches métamorphiques de type gneiss et des roches ignées (granite). Les roches sédimentaires légèrement métamorphisées, telles que le grauwacke, l’argilite, le quartz-wacke et le quartzite, constituent les composantes réactives de ce matériau (Rogers et McDonald 2012).
Villeneuve et coll. (2010) décrivent ces faciès de manière plus détaillée. On les présente ci-après selon leur potentiel de réactivité alcaline.
Potentiel de réactivité alcaline moyen : L’argilite, de couleur grise et à grain fin, contient environ 10 % de quartz fin ou microcristallin comme phase potentiellement réactive. La pélite, de couleur grise à grain fin, a aussi pour phase potentiellement réactive du quartz microcristallin (10 % environ). Le grès quartzitique argileux (ou grauwacke) est de couleur gris-blanc et à grain fin. La matrice argileuse et siliceuse (environ 25 %) qui cimente les grains de quartz, de plagioclase et de muscovite constitue la phase potentiellement réactive. Le grès quartzitique (quartzite) est de couleur blanche à gris et à grain fin-moyen. Il contient environ 5 % de quartz microcristallin qui lui confère un certain potentiel de réactivité alcaline. Ces faciès comptent pour 80 % à 85 % du granulat.
Potentiel de réactivité alcaline faible : Le granite, à grain moyen et de couleur gris à rose, a un faible potentiel de réactivité alcaline. Il est composé essentiellement de quartz (environ 50 %), de plagioclase (~40 %) et de biotite (jusqu’à 10 %).
Historiquement, la réactivité de ce granulat s’est manifestée dans divers ouvrages (Rogers et coll., 2000), en dépit du fait qu’il avait passé tous les essais en laboratoire connus d’alors. Le ministère des Transports de l’Ontario rapporte des valeurs d’expansion moyennes de 0,02 % (3,9 kg/m3 Na2Oeq) et 0,15 % (9,3 kg/m3 Na2Oeq) à 1 an pour les essais CPT réalisés dans différents laboratoires (Rogers et McDonald, 2012). Pour l’essai AMBT, une valeur d’expansion de 0,29% à 14 jours est rapportée dans la littérature par Ramlochan et coll. (2000).
• Granulat calcaire Spratt
Ce granulat provient principalement d’une carrière de Stittsville, en Ontario, à l’Ouest de la ville d’Ottawa. C’est un calcaire, finement à moyennement grenu, de couleur gris moyen, provenant des strates horizontales de l’Ordovicien moyen.
Villeneuve et coll. (2010) ont identifié la présence de deux principaux faciès lors d’un examen pétrographique. Le premier est une calcilutite à grain fin, composée de calcite (micrite, microsparite et fins fragments de fossiles - 92 %), de dolomite (3 %) et de quartz micro et cryptocristallin (environ 5 %). Cette dernière phase est à l’origine de la réactivité alcaline de ce faciès. Le second faciès est une calcarénite gris moyen à grain fin à moyen, essentiellement composée de calcite sous forme de sparite et d’abondants fragments de fossiles (bioclastes). Ce faciès a un potentiel de réactivité alcaline nul. Soumis aux analyses minéralogiques et chimiques, Rogers et McDonald (2012) rapportent que le matériau contient environ 9 % de SiO2. La silice peut être mise en évidence par attaque acide. En lame mince, il peut être aussi observé une faible quantité de Chert noirâtre à cassure conchoïdale et de la calcédoine. Toutefois, cette dernière méthode ne permet pas d’observer le réseau de silice qui est masqué par une forte biréfringence (calcite).
La réactivité du calcaire Spratt a été démontrée tant en laboratoire que sur chantier. Les résultats des essais accélérés sur barres de mortier (AMBT selon ASTM C1260 et CSA A23.2-25) et ceux des tests sur prismes de béton (CPT selon ASTM C1293 et CSA A23.2-14A) réalisés dans différents laboratoires au Canada et ailleurs à travers le monde ont montré des expansions considérables allant au-delà des limites admises par les normes. Le ministère des Transports de l’Ontario a rapporté une expansion moyenne de 0,38 % à 14 jours pour les essais AMBT et une expansion moyenne de 0.13 % (3.9 kg/m3 Na2Oeq) à 1 an pour les essais CPT (Fournier et Rogers 2008, Fournier et Malhotra 1996, Rogers 1996, Rogers et McDonald 2012). La très forte réactivité de ce granulat a aussi été montrée lorsque soumis au Gel Pat Test (Villeneuve et coll. 2010).
Les performances sur chantier ont été évaluées par la mesure de l’expansion de blocs de béton exposés sur un site à Kingston (Ontario, Canada) sur une période de plus de 20 ans. Certains blocs ont présenté des valeurs
d’expansion excédant 0,20 % (Affrani et Rogers 1994, Hooton et coll. 2006, Rogers et McDonald 2012, Hooton et coll., 2013).
• Gravier du Nouveau-Mexique
Ce granulat est un gravier naturel provenant de la région d’Albuquerque au Nouveau-Mexique. L’examen pétrographique réalisé par Villeneuve et coll. (2010) met en évidence différents faciès contenant des phases potentiellement réactives. Ces faciès sont groupés ci-après selon leur niveau de réactivité alcaline.
Potentiel de réactivité alcaline élevé : Un basalte (variant à andésite) de couleur variant de gris moyen à gris foncé et à grain fin contenant du verre volcanique comme phase potentiellement réactive. Une rhyolite grise- beige dont la phase potentiellement réactive est constituée de quartz microcristallin. Ces faciès forment respectivement 25 % et 2 % environ du granulat.
Potentiel de réactivité alcaline moyen : Un quartzite blanc-gris et à grain fin-moyen, puis un granite rose-gris et à grain moyen. La phase potentiellement réactive de ces deux faciès est le quartz microcristallin (environ 10 % et 5 %, respectivement) qu’ils renferment. Ces faciès forment respectivement 45 % et 25 % environ du granulat. Potentiel de réactivité alcaline faible : Un gneiss granitique gris foncé à altération rougeâtre ou jaunâtre contenant du quartz à extinction roulante comme phase potentiellement réactive. Ce faciès compte pour 3 % environ de granulat.
Bien que d’un point de vue pétrographique le granulat est considéré comme ayant un potentiel de réactivité moyen à élevé, sa très grande réactivité a été établie lorsque soumis au Gel Pat-Test. Ce niveau de réactivité très élevé est dû principalement aux roches volcaniques de composition andésitique à basaltique avec du verre volcanique dans la matrice (Villeneuve et coll. 2010).
• Granulat Springhill
Ce granulat est un mélange d’argilite/grauwacke provenant de la région de Fredericton au Nouveau-Brunswick. Sa composition minéralogique obtenue par diffraction au rayon X (XRD) met en évidence la présence de quartz, calcite, muscovite, chlorite, plagioclase feldspathique et dolomite. Outre sa très grande réactivité alcaline, ce granulat contient une quantité significative d’alcalis susceptibles d’être relâchés dans la solution interstitielle. Les travaux réalisés par Drolet (2017) révèlent pour ce granulat des valeurs d’expansion de 0,46 % à l’essai accéléré sur barres de mortier (AMBT) et de 0,22 % à l’essai sur prismes de béton (CPT). Son fort degré de réactivité alcaline a également été mis de l’avant par l’entremise de travaux de terrain impliquant des blocs de béton (Fournier et coll., 2016).
3.2.2.1.2 Granulats non réactifs
Le granulat non réactif utilisé dans tous les mélanges provient de la province de Terre-Neuve (péninsule de Port-au-Port). Il est composé de particules de calcaire pur (High Purity Limestone) et d’une très faible quantité de dolomie (moins de 1 %). La calcite de la roche se présente sous forme de sparite/microsparite et d’oolithes (observables en lames minces) (Villeneuve, 2011). La classe granulaire utilisée dans le cadre de ce projet est 0-2500 µm.
3.2.2.1.3 Préparation des granulats
Les différentes tranches granulométriques considérées pour le granulat non réactif (calcaire high purity) ont été obtenues en plusieurs passes au broyeur à rouleau, d’un gravier de dimensions initiales 5-12 mm. Chaque fraction a ensuite été lavée sur le tamis dont l’ouverture correspond à la limite inférieure de la tranche considérée puis séchée à l’étuve pendant 24 h à une température de 110 °C. Le granulat réactif échantillonné près du barrage d'Hydro-Québec en question dans l'étude et les granulats extraits des carottes prélevées de ce barrage ont été préparés suivant un procédé presque similaire. Toutefois, le broyage de ces granulats a été réalisé par l’entreprise COREM, par un procédé en plusieurs passes en utilisant un concasseur à impact de type Hazemag et en tamisant après chaque passe. L’utilisation d’une telle procédure permet d’obtenir des particules de forme cubique présentant une plus grande réactivité, du moins pour ce type de granulat, en comparaison aux particules plates et allongées obtenues par l’utilisation du concasseur à rouleau (Béland, 2020). Les autres granulats réactifs utilisés ont soit été recueillis dans un état prêt à l’utilisation (c’est-à-dire déjà broyés et lavés) ou ont été soumis à la même procédure de préparation que le granulat non réactif.
3.2.2.2 Le ciment et l’adjuvant
Le ciment utilisé pour la fabrication des éprouvettes de mortier est un ciment Portland de type LH, à faible chaleur d`hydratation. Ce type de ciment est souvent utilisé pour la fabrication des bétons de masse où le dégagement de chaleur associé à l’hydratation doit être réduit au minimum. Il a été fourni par Hydro-Québec et le Tableau 3-6 présente sa composition chimique rapportée par Béland (2020).
L’adjuvant utilisé dans les mélanges de mortier est un fluidifiant de type réducteur d’eau de moyenne / grande portée produit par Euclid Canada, le Plastol 341. Il est à base de polycarboxylate et ne contient pas de chlorure de calcium. La fiche technique de l’adjuvant Plastol 341 est présentée à l’Annexe A-2.
Tableau 3-6 Composition chimique du ciment LH (Béland, 2020)
Essai Résultats Exigences Méthode
Analyses chimiques (%)
Alcalis
(Na2Oeq) 0,6 ≤ 0,6 ASTM C114
Perte au feu 0,48 ≤ 2,5 CSA A3003
Résidus
insolubles 0,33 ≤ 0,7 CSA A3003
SiO2 23,2 CSA A3003 SiO2
Na2O 0,14
K2O 0,71
Al2O3 3,4 CSA A3003
Fe2O3 4,8 CSA A3003
CaO 62,9 CSA A3003
MgO 1,7 ≤ 5,0 CSA A3003
SO3 2,3 2,0-2,5 CSA A3003
Chaux libre 0,2 ≤ 1,0 ASTM C114
Composition minéralogique (%) Formules de Bogue C3S 44 C2S 34 C3A 0,9 ≤ 5,0 CSA A3003 C4AF 15