La méthode d’essai LMDC exploitée dans les travaux de Gao (2010)

1.4.3.1 Optimisation des conditions de l’essai d’expansion accéléré

Les travaux réalisés par Gao (2010) visent à quantifier la silice potentiellement réactive des granulats afin d’évaluer l’avancement chimique de la RAS dans les granulats récupérés au sein du béton de structures affectées. La connaissance de l’avancement chimique de la réaction constitue l’un des paramètres de base nécessaire à la compréhension du comportement actuel et futur des constructions endommagées par la RAS. Deux approches furent proposées pour atteindre cet objectif. La première constitue une approche indirecte reliant la quantité de silice réactive à l’expansion mesurée dans un essai sur barre de mortier réalisé dans des conditions expérimentales bien spécifiques (Grimal, 2007; Sellier et coll., 2009). La seconde constitue une approche directe basée sur une méthode chimique rapide de dissolution sélective visant à quantifier directement la silice réactive des granulats. Parmi les méthodes chimiques utilisées dans le cadre de la deuxième approche, celle d’une attaque par acide fluorhydrique et acide chlorhydrique (1,5 % HF+ 1 mol/HCL) s’est révélée la plus efficace pour quantifier rapidement (24 h) la silice réactive des granulats.

La méthode d’essai sur barres de mortier développée au LMDC par Gao (2010) consiste à soumettre des éprouvettes de dimensions variées et incorporant différentes tailles de granulats réactifs à des conditions de

a été réalisée en utilisant un granulat calcaire siliceux réactif. Une température de 60 °C et une solution de NaOH de concentration 1 N ont été choisies comme conditions de conservation après avoir testé trois concentrations de solution de NaOH (0,77 N ; 1 N ; 1,25 N) et montré que la concentration en alcalis influence peu l’expansion mesurée, du moins pour le granulat et la fourchette de concentrations testés. Les dimensions des éprouvettes testées sont : 2020160 mm, 4040160 mm et 7070280 mm ; et les tailles des particules de granulats réactifs dosées à 30 % de la masse totale des granulats sont : 0-315 μm, 315-630 μm, 630-1250 μm et 1250-2500 μm. Le granulat réactif est mélangé à un granulat non réactif de la tranche granulométrique 0- 2,5 mm et constituent 70 % de la masse totale des granulats. (Le pourcentage de 30% a été utilisé afin d’obtenir des expansions significatives pour les tailles considérées des granulats réactifs. Ce choix est aussi justifié par comparaison avec des essais quasi similaires (60 o_{C, H.R. > 95%) utilisant ces mêmes pourcentages réalisés} dans des travaux précédents (Multon et coll., 2010)). L’effet combiné de la dimension des éprouvettes et de la taille des particules de granulats réactifs est ensuite étudié. Les conclusions tirées à ce sujet pour le granulat étudié montrent que : 1) pour une taille donnée de particules, les petites barres atteignent l’expansion maximum en moins de temps ; et 2) pour une dimension d’éprouvette donnée, les éprouvettes incorporant les particules de granulats réactifs de petite taille atteignent l’expansion maximale en moins de temps. En définitive, les petites barres (2020160 mm) incorporant les particules de granulats réactifs de taille 315-630 μm sont considérées comme pouvant générer l’expansion maximale le plus rapidement pour le granulat à l’étude, dans les conditions de l’essai préconisées. La Figure 1-5 présente les résultats des mesures d’expansion en fonction des dimensions des éprouvettes et de la taille des particules du granulat réactif.

1.4.3.2 Mécanisme d’expansion dans le cadre de l’essai d’expansion accélérée

Les résultats de Gao (2010) relatifs à l’effet de la taille des particules de granulats et de la dimension des éprouvettes sur l’expansion mesurée nécessitent la compréhension plus en détail du mécanisme expansif de la RAS. Ce mécanisme peut être décrit par les étapes suivantes :

1- Les ions OH- _{accèdent à la silice réactive des granulats par des phénomènes de diffusion dans la pâte de} ciment et dans les particules de granulats (Figure 1-6 a).

2- Les ions OH- _{attaquent ensuite la silice réactive formant un composé qui réagit avec les alcalins pour} générer le gel de réaction qui précipite dans la porosité et à la périphérie des particules de granulats. Cette attaque se fait de la périphérie vers le cœur des particules (Figure 1-6 a).

3- Le gel remplit d’abord progressivement la porosité interne et périphérique des particules du granulat sans causer de dommage (Figure 1-6 b). Une fois la porosité remplie, la surpression dans le gel induit des fissures dans les particules granulat et dans la pâte de ciment avoisinante (Multon et coll., 2009 ; Poyet et coll., 2007 ; Furusawa et coll. 1994). Plus le rapport « taille granulat/dimension éprouvette » est élevé, plus

la propagation des fissures est rapide et se produit à de faibles pressions. Les concepts de la mécanique de la rupture permettent d’expliquer cet effet d’échelle (François et coll., 1993 ; Lemaitre et Chaboche 1988). Multon et coll. (2009, 2010) utilise l’équation suivante pour calculer la contrainte normale maximale dans le voisinage d’une inclusion remplie de gel :

𝜎(𝑟) = 𝐾𝐼

√2𝜋𝑟 (1-6) Avec σ la contrainte normale maximale en un point M situé à une distance r de la frontière de l’inclusion

Figure 1-5 Résultats des mesures d’expansion dues à la RAS en fonction des dimensions des éprouvettes et de la taille des particules de granulat réactif (Gao et coll., 2013)

KI est le facteur d’intensité de la contrainte donné par la relation :

𝐾𝐼= 𝑝𝑔× 𝑓 ( 𝑅𝑎

𝐿) (1-7) où f est une fonction croissante du rapport Ra/L, avec Ra, le rayon de la particule de granulat et L, la

dimension de l’éprouvette. Dans l’expression précédente, pg est la pression du gel et peut être évaluée par

la formule : 𝑝_𝑔= 𝑀𝑔〈 4 3𝜋𝑅𝑎 3_𝑆𝑉 𝑔𝑒𝑙𝑚𝑜𝑙− 𝜑 4 3𝜋[(𝑅𝑎+ 𝑡𝑐) 3_{− 𝑅} 𝑎3]〉 (1-8) où Mg est le module élastique du gel, S la teneur en silice réactive, Vgel mol le volume molaire du gel, φ la

porosité du béton et tc l’épaisseur sur laquelle le gel peut migrer de la particule du granulat vers la pâte de

ciment.

Ces équations montrent que σ(r) est proportionnelle au rapport (Ra /L), ce qui signifie que plus le

rapport rayon du granulat/dimension éprouvette est grand, plus la contrainte normale à une distance donnée du granulat est élevée et donc moins la pression dans le gel peut atteindre la contrainte de traction ft à la frontière de l’éprouvette (Figure 1-6 c).

4- Le gel est ensuite absorbé par les fissures et lessivé hors de l’éprouvette (exsudation et perméation), une fois que les fissures atteignent la surface de dernier, provoquant ainsi une chute des pressions dans le gel, ce qui a pour conséquence l’arrêt de l’expansion locale (Figure 1-6 d).

Figure 1-6 Étapes de formation du gel d’alcalis-réaction : a) Diffusion des alcalis dans le granulat, b) Remplissage des pores par le gel, c) Comparaison entre les contraintes de traction dans la pâte de ciment autour des particules de granulats et la résistance à la traction, d) perméation des gels d’alcalis-silice à travers les fissures et exsudation sur les parois extérieures (Gao, 2010)

1.4.3.3 Détermination la cinétique de consommation de la silice réactive

En plus des essais d’expansion sur barres de mortier et des essais chimiques pour mesurer la silice réactive dans les granulats, Gao (2010) a contribué au développement d’un modèle chemo-mécanique pour évaluer l’avancement chimique de la réaction dans le temps. Ce modèle évalue cinq paramètres physico-chimiques par l’ajustement des courbes d’expansion obtenues et prend en compte les effets combinés de la taille des particules, de la dimension des éprouvettes et de la quantité de silice réactive liée à la nature des granulats. La constante de cinétique est calculée pour chaque taille de granulat selon une méthode proposée par Grimal (2007). Ce paramètre est nécessaire pour la prognose de la RAS. Gao (2010) suggère finalement de valider cette méthode dans des cas réels de structures endommagées.