Extraction des granulats des carottes de béton du barrage

En parallèle aux essais d’optimisation des conditions d’essais d’expansion sur mortier, le gros granulat a été extrait de 14 carottes de béton, soit neuf carottes provenant de la centrale et cinq provenant de la prise d’eau du barrage à l’étude. Les caractéristiques des échantillons en question sont présentées au Tableau 3.11 et des photographies sont disponibles à l’annexe B3.1. La récupération du gros granulat de ces carottes devait permettre de réaliser des essais d’expansion sur mortier (phase principale – 3.2.3) selon les conditions optimisées au cours de la phase préliminaire (section 3.2.1). Les essais de la phase principale seront réalisés séparément pour les différents calibres granulométriques utilisés dans la conception des formulations du béton, soit le 5-20, le 20-40 et le 40-80 mm. Ainsi, il a été nécessaire de limiter les possibles contaminations entre les fractions granulométriques. Cette contamination correspond en fait à une fragmentation, initiée entre autres par la RAS, des particules de granulats plus grossières (e.g. particules de 40-80 mm) (Figure 3.10). Les fragments de ces particules initialement grossières peuvent se retrouver en quantités plus ou moins importantes dans des

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calibres granulométriques plus fins (e.g. 5-20 ou 20-40 mm), et résulterait ainsi en une mauvaise évaluation de la cinétique de consommation de la silice réactive propre aux différents calibres granulométriques considérés. Afin de limiter l’effet possible de contamination, la méthode de récupération des granulats du béton proposée par Gao et coll. (2013b) a été légèrement modifiée.

Tableau 3.11: Identification et description des échantillons du barrage utilisés pour l'extraction des granulats du béton. Identification Profondeur de la carotte (m) Mélange de béton* Masse (g) F1-660-CR1 0,10 à 0,37 5-80 mm 11 181,3 F1-660-CR2 1,50 à 1,85 5-80 mm 12 757,5 F3-660-CR1 0,14 à 0,50 5-80 mm 15 635,4 F3-660-CR1 0,65 à 1,18 5-80 mm 18 915,0 F3-660-CR4 4,50 à 4,77 5-40 mm 9 838,8 F4-660-CR4 5,63 à 5,95 5-80 mm 11 100,7 F5-660-CR1 0,13 à 0,55 5-80 mm 12 271,7 F5-660-CR3 3,00 à 3,30 5-40 mm 11 672,5 F5-660-CR3 4,25 à 4,50 5-40 mm 8 958,7 F2-734-CR2 1,53 à 1,80 5-80 mm 9 195,5 F3-734-CR2 2,62 à 3,05 5-80 mm 16 342,0 F4-734-CR3 3,51 à 3,82 5-80 mm 9 952,3 F2-734-CR1 1,25 à 1,55 5-80 mm 9 154,4 F4-734-CR3 4,30 à 4,56 5-40 mm 7 501,1

*Les différences apparentes de calibre granulométrique et en conséquent, de mélange de béton, peuvent potentiellement être associées à l’hétérogénéité du béton.

Figure 3.10: Exemple de la fragmentation d'une particule de granulat de 40-80mm qui peut engendrer la contamination des calibres granulaires inférieurs.

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Récupération du gros granulat des carottes de béton du barrage

La méthodologie de récupération des granulats en trois étapes, proposée par Gao et coll. (2013b), a été utilisée et adaptée aux besoins de ce projet. Puisque le béton à l’étude contenait des particules de granulats dont la dimension était étalée entre 5 et 80 mm, la première étape du concassage des carottes de béton n’a pas été réalisée. La problématique de contamination des calibres granulaires s’avère particulièrement sérieuse considérant que l’ouvrage à l’étude est un barrage hydroélectrique atteint par la RAS où les particules de granulats sont fortement fissurées. Le concassage des carottes de béton occasionnerait sans aucun doute la fragmentation de ces particules de granulat préalablement fissurées (Figure 3.11), favorisant ainsi la contamination des calibres granulaires.

Figure 3.11: Surfaces de cassure d'une carotte de béton qui montrent plusieurs plans de fractures au sein des particules de granulats.

Les carottes de béton ont donc plutôt été soumises à la deuxième étape de la méthodologie sans avoir été concassées. La méthode employée a donc consisté à immerger les sections entières d’éprouvettes de béton dans une solution de sulfates de sodium (Na2SO4) concentrée à 25 % massique, selon un ratio de 1,5 L de solution

pour 1 kg de béton, dans des chaudières de plastique de 20 L. La concentration de la solution de sulfates de sodium proposée par Gao et coll. (2013b) était plutôt de 26 %. Or, il a été observé en début de projet par l’équipe d’Hydro-Québec que l’utilisation d’une telle concentration engendrait la précipitation de cristaux à température ambiante (~22°C). Pour limiter cette précipitation, l’équipe d’Hydro-

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Québec a recommandé l’utilisation d’une concentration de 25 % qui limitait la formation de cristaux, selon leurs essais expérimentaux préliminaires. Les éprouvettes de béton ont d’abord été immergées dans la solution sulfatique à température ambiante pour une période de 24 heures. Puis, les éprouvettes, toujours immergées dans la solution de Na2SO4, sont soumises à un cyclage

thermique d’une période de 24 heures, soit 16 heures à 4°C et 8 heures à 60°C. La température basse du cycle a été ajustée à 4°C par rapport à -17°C proposée par Gao et coll. (2013b). Cet ajustement visait à permettre une dissolution plus rapide des cristaux de sulfates formés lors du cycle à température basse, ces cristaux étant vraisemblablement moins importants s’ils ont été formés à 4°C plutôt qu’à -17°C. Pour réaliser les cycles thermiques, des cabinets de conditionnement programmables ont été utilisés (Figure 3.12).

Figure 3.12: Cabinet de conditionnement utilisé pour le cyclage thermique des échantillons de béton immergés dans une solution de sulfates de sodium.

Gao et coll. (2013b) précisent que plusieurs cycles sont nécessaires pour l’extraction complète du matériel granulaire du béton. Puisqu’aucun concassage mécanique n’a été réalisé, il a été envisagé que le nombre de cycles thermiques à réaliser serait élevé. Ainsi, pour limiter la quantité de solution de Na2SO4 à produire tout en

permettant une récupération efficace des particules de granulats, les cycles thermiques journaliers ont été répétés par périodes de 10 jours, tel que détaillé dans le Tableau 3.12.

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Tableau 3.12: Détails des manipulations effectuées sur une période de 10 jours de traitement thermique des carottes de béton immergées dans une solution de sulfates de sodium

Jour du cycle 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Manipulations 1 2 2 2, 3 2 2 2, 3 2 2 2 2, 3, 4

Où manipulations 1 : Immersion dans la solution de Na2SO4 à température ambiante pour 24h;

2 : Cyclage thermique (16 heures à 4°C et 8 heures à 60°); 3 : Changement de la solution de Na2SO4;

4 : Récupération des fragments de granulats propres.

Au cours de chaque période, un changement de la solution de sulfates de sodium était effectué après 3 et 6 jours. À ce moment, la solution usée était purgée et remplacée par de la nouvelle solution. De plus, lors de chacun des changements de solution, un rinçage à l’eau chaude était effectué pour dissoudre les cristaux de Na2SO4 formés lors des cycles thermiques à 4°C. Puis, à la fin de la période de 10

jours, le matériel granulaire libéré du béton était retiré des contenants de plastique. Les fragments de béton intacts étaient quant à eux exposés à une nouvelle période de cyclage de 10 jours dans la solution de Na2SO4. Les fragments granulaires

« propres » (i.e. libres de mortier résiduel) retirés de l’essai en cours étaient ensuite rincés à l’eau chaude et séchés à l’étuve à 105°C pour une période de 24 heures. Ensuite, ils ont été tamisés selon les calibres granulométriques pré établies (0-5 mm (granulat fin et fragments de mortier), 5-20 mm, 20-40 mm et 40-80 mm). Une fois l’ensemble des particules de granulats récupérées, tamisées et pesées, un rinçage supplémentaire et final a été réalisé sur chacun des calibres granulaires pour s’assurer d’éliminer complètement les sulfates résiduels. Cette étape de rinçage supplémentaire a été réalisée dans la perspective d’uniformiser la procédure du rinçage des granulats récupérés. Pour ce faire, chaque calibre granulaire a été immergé dans de l’eau froide pour 3 jours consécutifs (72 heures), un changement d’eau étant réalisé après 24 et 48 heures de trempage. Les proportions massiques granulaires ainsi récupérées ont été comparées à celles calculées à partir des masses originales des carottes et des formulations théoriques du béton du barrage.

La troisième et dernière étape proposée par Gao et coll. (2013b) vise à dissoudre les résidus de pâte de ciment encore présents sur les granulats à l’aide d’acide salicylique. Cette étape n’a toutefois pas été employée pour le gros granulat dans le cadre de ce projet. En effet, à la lumière d’une discussion avec des collaborateurs

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du LMDC et de l’INSA de Toulouse ayant contribué au développement de la méthode de Gao, il semble que les résidus de pâte de ciment sur les particules de granulats sont négligeables après l’étape de traitement dans la solution de sulfates de sodium. Cette conclusion a d’ailleurs pu être vérifiée par les résultats obtenus dans ce volet du projet. De plus, considérant que les effets de l’attaque à l’acide salicylique sur la réactivité des particules récupérées n’ont pas été évalués, il paraissait risqué de recourir à un tel traitement dans le cadre de ce projet.

Puisque la récupération du gros granulat a été réalisée à partir de carottes de béton, plusieurs particules ont inévitablement été coupées par le carottage (Figure 3.13). Considérant la problématique de la contamination des calibres granulaires, l’influence de l’effet du carottage sur la distribution granulométrique récupérée du béton a également été étudiée. Pour ce faire, deux blocs cubiques de 300x300x300 mm et 2 cylindres de 150x300 mm ont été fabriqués à partir d’un béton de formulation identique à celle du béton du barrage (GRO de calibre 5-80 mm, ciment LH-HQ; Tableau 3.5) (Figure 3.14).

Figure 3.13: Surface polie d'une carotte de béton de la structure à l'étude démontrant la présence de particules de granulats coupées par le carottage.

Après une période de murissement de 28 jours à 23°C et 100 % d’humidité relative, les deux blocs ont été carottés (deux carottes de 150x300 mm par bloc). Une carotte provenant de chaque bloc (CR-1 et CR-2) et les 2 cylindres moulés (CY-1 et CY-2) ont ensuite été soumis à la méthode de récupération du gros granulat décrite

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C

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précédemment. Une comparaison de la distribution des granulats récupérés de ces différents échantillons a ainsi permis d’évaluer l’impact du carottage sur la granulométrie récupérée.

Figure 3.14: Échantillons produits pour vérifier l'effet du carottage sur la distribution granulométrique récupérée du béton. Les deux cylindres moulés et les deux cubes de béton utilisés pour prélever des carottes sont représentés.

Finalement, l’effet du traitement thermique dans la solution de Na2SO4 sur la

composition chimique du gros granulat a été étudié. Pour ce faire, deux échantillons de granulats du GRO de calibre 5-20 mm ont été prélevés. Un des deux échantillons a été soumis au traitement thermique dans une solution de sulfate de sodium pour une durée de 100 jours, alors que l’autre a été conservé sous son état initial. Des sous-échantillons ont ensuite été prélevés pour être soumis à une analyse des éléments majeurs et mineurs par fluorescence X (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO,

Na2O, K2O, TiO2, MnO, P2O5, Cr2O3, V2O5, ZrO2, ZnO) et de pertes au feu (PAF).

De plus, les sulfates totaux (SO4, 10 g/100 mL d’eau) ont été déterminés par

turbidimétrie, qui permet la mesure des sulfates en suspension dans l’eau. De cette façon, la comparaison des résultats des analyses chimiques réalisées sur ces deux échantillons de granulats a permis de valider si le traitement thermique aux sulfates influe sur la composition chimique des granulats. De surcroit, l’analyse des sulfates totaux a permis de vérifier si la méthode de rinçage préconisée est efficace pour éliminer tous les sulfates des particules de granulats récupérées du béton. Cette

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batterie d’analyses chimiques (oxydes majeurs et sulfates totaux) a également été réalisée sur deux échantillons de particules 5-80 mm reconstitués à partir des granulats récupérés du béton du barrage pour les localisations 660 et 734.

Récupération des granulats fins des carottes de béton du barrage

En ce qui concerne la récupération du granulat fin du béton du barrage, un échantillon représentatif du matériel passant le tamis 5 mm récupéré des carottes de béton provenant de la centrale (localisation 660) a été prélevé à la suite du traitement thermique dans la solution de sulfates de sodium. La composition du matériel ainsi récupéré a été déterminée par un examen pétrographique détaillé afin de la comparer avec celle du granulat fin utilisé pour la conception du béton. L’examen pétrographique a été effectué sur les calibres suivants : 0-150 µm, 150- 300 µm, 300-600 µm, 600-1180 µm, 1180-2360 µm et 2360-4760 µm.

Puisque les deux premières étapes de la méthode de Gao et coll. (2013b) ne permettent pas de récupérer le granulat fin du béton (section 1.5.2), l’attaque chimique à l’acide salicylique (étape 3 de la méthode de Gao) a été testée sur trois sous-échantillons de 50,0 g du matériel fin (0-5 mm) récupéré des carottes de béton de la centrale (localisation 660). Ces essais avaient pour objectif de valider s’il était possible de récupérer le granulat fin du béton de façon efficace avec cette étape supplémentaire.

La solution d’attaque était préparée avec 180 g d’acide salicylique dissouts dans 1 L de méthanol. Le matériel était introduit dans la solution à température ambiante suivant un ratio de 8 L de solution pour 1 kg de matériel granulaire. Les contenants avec la solution et le matériel granulaire étaient ensuite agités mécaniquement pour une période de 3 heures, toujours à température ambiante. Le montage était ensuite laissé au repos pour une période de 21 heures. Des photographies du montage et de l’aspect de la solution après 1 cycle d’agitation sont disponibles à l’annexe B3.2. Les mêmes opérations ont enfin été répétées pour une deuxième période de 24 heures. Après ces deux journées, la solution d’acide salicylique et de méthanol a été remplacée. Trois répétitions de ce cycle de 2 jours ont été effectuées pour une

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période d’attaque totale de 6 jours, conformément à la méthodologie proposée par Gao. Finalement, les échantillons ont été lavés à l’eau fraiche, séchés et pesés pour déterminer la perte de masse engendrée par l’attaque chimique. Des examens pétrographiques au stéréomicroscope ont été réalisés pour comparer l’aspect visuel et la composition du matériel avant et après l’exposition à la solution d’attaque.

3.2.3. Essais d’expansion optimisés avec les granulats extraits du