La méthode d’essai LMDC exploitée dans les travaux de Béland (2020)

Béland (2020) a étudié la réactivité résiduelle du granulat récupéré du béton d’un barrage hydroélectrique situé au Québec — le même que celui à l’étude dans le présent mémoire — en appliquant la méthode développée par le LMDC basée sur la consommation de la silice réactive. Il a utilisé le même procédé que Gao (2010) pour optimiser certains paramètres de l’essai d’expansion en solution de trempage alcaline à 60 °C pour le granulat en question. L’objectif était toujours de quantifier indirectement la silice réactive résiduelle des granulats en appréciant la différence entre les comportements expansifs observés respectivement sur des séries d’éprouvettes préparées avec des particules du granulat d’origine non altéré et des séries d’éprouvettes préparées avec des particules du gros granulat réactif récupéré du béton, suivant les différents calibres (5-20, 20-40 et 40-80 mm). Ces travaux ont consisté en une phase préliminaire et une phase principale. La phase préliminaire a permis d’optimiser les paramètres d’essai pour le granulat réactif non encore altéré et de récupérer les granulats des carottes prélevées du barrage. La phase principale a consisté à utiliser les paramètres optimisés pour fabriquer des séries d’éprouvettes dont les résultats d’expansion serviraient à déterminer la cinétique de consommation de la silice réactive.

1.4.4.1 Optimisation des conditions expérimentales

Les principaux paramètres à optimiser étaient la taille des particules de granulats réactifs et la dimension des éprouvettes de mortier. Des éprouvettes de mortier de grande dimension (7575300 mm), de moyenne dimension (40x40x285 mm) et de petite dimension (2525285 mm) ont été préparées pour les quatre mélanges de mortier, chacun incorporant des particules de granulat réactif de l’un des calibres considérés (300- 600 μm, 600-1180 μm, 1180-2360 μm et 2360-4760 μm). La phase préliminaire des essais d’expansion a été réalisée avec les granulats d’origine non encore altérés par la RAS.

Les paramètres de formulation des mélanges de mortier étudiés étaient les suivants : un rapport eau/ciment égal à 0,50, un dosage en ciment de 500 kg/m3_{, un dosage en granulat de 1500 kg/m}3 _{et un dosage en alcalis} pour avoir une concentration en alcalis (Na2Oeq) de la solution interstitielle égale à 1N. Le squelette granulaire des mélanges a aussi été optimisé pour savoir quel pourcentage de granulat réactif générerait des expansions maximales pour le granulat en question. Il a été trouvé que les mélanges avec les proportions de matériau réactif (calibre spécifié) / non-réactif (0-2,5 mm) 50% / 50% ont généré des expansions supérieures par rapport à ceux ayant les proportions 30% / 70% ou 70% / 30%. Il a été aussi montré que les particules de granulats de forme cubique favorisent des expansions plus importantes que les particules de granulats de forme plate et allongée, particulièrement pour les particules des calibres 300-600 μm et 600-1180 μm.

Concernant la nature de la solution de trempage, une solution 1N de NaOH a été retenue, après des essais alternatifs dans une solution mixte de NaOH 1N (16%) et de KOH 1N (84%), sur la base des expansions plus importantes enregistrées.

Tenant compte des paramètres de formulation et de conditionnement précédents, il a été montré, d’une part, que les particules du calibre 600-1180 μm sont celles ayant généré l’expansion la plus importante pour toutes les dimensions d’éprouvettes considérées. Les expansions pour les particules des autres calibres sont d’amplitude significativement moindre, celles du calibre 2360-4760μm se révélant les plus faibles. D’autre part, les éprouvettes de grande dimension (7575300 mm) ont subi globalement les expansions les plus importantes et les éprouvettes de petite dimension (2525285 mm) ont subi les expansions les moins importantes. La Figure 1-7 présente les résultats d’expansion pour différents calibres de particules et différentes dimensions des éprouvettes.

Les examens pétrographiques réalisés après 1 an d’essai sur les surfaces polies des éprouvettes de mortier ayant servi aux essais décrits précédemment ont mis en évidence une forte altération des particules de granulat réactif. Ces altérations sont dues aux conditions sévères de l’essai en solution de trempage 1N de NaOH à 60 °C, qui diffèrent des conditions réelles sur terrain. En outre, les examens pétrographiques ont permis d’observer, notamment sur lames minces, la présence d’indices d’endommagement de la RAS tels que fissuration et produits de réaction. Il a aussi été observé une présence plus importante des vides de mise en place pour les calibres de particules les plus fins.

II a été observé une plus grande quantité de produits de réaction à la surface des éprouvettes des mélanges incorporant les calibres les plus gros, plus particulièrement sur les éprouvettes de petites et moyennes dimensions. L’analyse de ces produits par spectrométrie d’absorption atomique (avec utilisation d’une solution de HNO3 concentrée à 5% en volume) a montré qu’ils étaient composés principalement de Na2O, CaO et SiO2.

Les produits de réaction observés dans les solutions de trempage semblaient composés principalement de Na2O, leur quantité variant selon la dimension des éprouvettes et le calibre des particules.

Les résultats précédents ont permis de déduire que, pour le granulat à l’étude, le calibre 600-1180 µm et les éprouvettes de petite dimension (2525285 mm) étaient optimaux pour épuiser la silice réactive.

Figure 1-7 Résultats des mesures d’expansion en fonction du temps pour différents calibres de particules du granulat réactif d’origine (GRO), enregistrées pour des éprouvettes de mortier de dimension (a) 2525285mm, (b) 4040285mm et (c) 7575300mm (Béland, 2020).

En résumé, cette phase a permis de préciser les paramètres suivants : calibres des particules de granulat réactif, dimension des éprouvettes, composition de la solution de trempage, proportions de matériau granulaire réactif et non réactif et méthode de préparation des granulats par concassage (forme des particules).

1.4.4.2 Récupération des granulats des carottes de béton

Les carottes de béton prélevées à deux emplacements du barrage hydroélectrique, i.e. la centrale et la prise d’eau, ont subi des traitements thermique et chimique afin de récupérer le gros granulat du béton tout en conservant au mieux leur taille d’origine (intégrité). Le procédé de récupération a consisté, premièrement, en un traitement thermique en immersion dans une solution de sulfates de sodium (Na2SO4) concentrée à 25% (massique). Les carottes ont été soumises à un cyclage thermique sur une période de 24 heures (16 heures à 4 °C et 8 heures à 60 °C) pendant 10 jours avec changement de solution et rinçage tous les 3 jours. Le gros granulat récupéré a ensuite été classé selon trois classes granulaires : 5-20 mm, 20-40 mm et 40-80 mm. L’analyse de la composition chimique de deux échantillons du granulat prélevé près du barrage (de classe granulaire 5-20 mm), dont l’un seulement d’entre eux a subi le traitement thermique en immersion dans une solution de sulfates de sodium pendant 100 jours, confirme l’effet négligeable de ce dernier sur les résultats des essais d’expansion subséquents.

1.4.4.3 Détermination de la cinétique de consommation de la silice réactive

Les résultats d’expansion des éprouvettes fabriquées pour optimiser les paramètres d’essai lors de la phase préliminaire ont montré que la cinétique de réaction du granulat réactif d’origine, non préalablement altéré, est telle que la durée pour atteindre l’asymptote à la courbe est assez longue. À 18 mois, les courbes d’expansion ne laissaient pas encore présager la branche asymptotique à brève échéance. Béland (2020) a fait une comparaison des résultats d’expansion obtenus avec le granulat réactif (métagrauwacke) utilisé dans ses travaux et ceux obtenus avec le granulat réactif (calcaire belge) utilisé par Gao (2010). La Figure 1-8 présente cette comparaison et met en évidence le comportement très différent observé pour les deux types de granulats. Par exemple, pour les barres plus petites des mélanges incorporant les particules de calibre optimal, le temps d’essais nécessaire pour atteindre l’asymptote et évaluer l’expansion résiduelle est d’environ 200 jours pour le calcaire belge, alors qu’il excède les 550 jours pour le métagrauwacke.

Une évaluation de la silice résiduelle dans les particules de granulats extraits du béton du barrage n’a pas pu être réalisée par Béland (2020) bien que la démarche a été initiée dans ses travaux. Les séries d’éprouvettes incorporant ces particules de granulats et fabriquées selon les paramètres optimisés (calibre 600-1180 μm, dimension 25x25x285 mm, solution 1 N NaOH) n’étaient qu’à leur début alors, et les données d’expansion étaient insuffisantes. Le présent projet de maitrise fait suite à ces travaux et vise par ailleurs à aborder cet aspect

Figure 1-8 Résultats des mesures d’expansion en fonction du temps pour différents calibres de particules de granulats réactifs pour des éprouvettes de mortier de dimension (a) 2525285mm ou 2020160mm; (b) 4040285mm ou 4040160mm; (c) 7575285mm ou 7070280mm (Béland, 2020).

1.5

Mécanismes de formation de gels d’alcali-réaction (approche