RAG B. Fournier

Natural Resources
Canada
Ressources naturelles
Canada
Réactions alcalis-granulats
dans le béton – revue des
concepts de base et
implications d’ingénierie
Benoit Fournier
ICON/CANMET
1
CANMET MATERIALS TECHNOLOGY LABORATORY
Réactions alcalis-granulats (RAG)
• Malgré des processus
2
d’altération, les roches
sont généralement
stables dans les
conditions
environnementales
naturelles “acides”.
Toutefois, certaines
phases minérales présentes au sein de ces roches
peuvent devenir instables chimiquement lorsque
placées dans le conditions chimiques
particulières du béton (pH généralement > 13).
1
Origine de la RAG
• Première identification à la fin des années 1930
• Comté de Monterey et de Los Angeles (Californie)
• Thomas Stanton, ministère des transports de la Californie
3
Réactions alcalis-granulats (RAG)
• RAG correspond à des réactions chimiques entre
les hydroxides alcalins (Na+, K+, OH-) de la
solution interstitielle du béton et certaines phases
minérales présentes au sein des granulats
4
2
•
Réactions alcalis-granulats (RAG)
Les ions alcalis sont fournis à la solution
interstitielle à partir de différentes sources
telles que le ciment, les adjuvants chimiques,
les granulats (moyen à long terme), les ajouts
cimentaires, l’eau de mer et les sels déglaçants.
5
Types de RAG
Réaction alcalis-carbonate (RAC)
•
Cas limités –> essentiellement retrouvés en Ontario
(régions de Kingston et de Cornwall)
ACR
Carrière Pittsburg, Kingston
6
3
Types de RAG
Réaction alcalis-carbonate (RAC)
•
•
Roches susceptibles de
RAC au Canada: calcaires
dolomitiques argileux
Texture unique : petits
cristaux de dolomite
(rhomboèdres; dimension
10-50 µm) disséminés dans
une matrice finement
grenue de calcite et de
minéraux argileux
7
•
Réaction alcalis-carbonate (RAC)
Réaction très dommageable et qui peut causer des
dommages notables sur le terrain aussi peu que
deux ans suivant la mise en service
8
4
•
Réaction alcalis-carbonate (RAC)
Mécanismes peu compris
• Hydroxides alcalins de la solution interstitielle du béton
attaquent les cristaux de dolomite
• L’expansion est alors associée à la réorganisation des
produits de la dédolomitisation (brucite et calcite) et/ou
au gonflement des minéraux argileux présents au sein de
la matrice de la roche.
9
Types de RAG – Réaction alcalis-silice
• Forme la plus commune de RAG (Tableau B1,
Annexe B de CSA A23.1, 2000)
• Deux groupes selon la nature des roches impliquées
• Variétés de roches incorporant
des minéraux siliceux
faiblement cristallisés
et du verre volcanique
• réaction rapide (Japon, USA)
• Les roches contenant du quartz
• très commun au Canada
10
5
Réaction alcalis-silice (RAS)
• RAS est une réaction chimique entre les ions Na+, K+ et
OH- de la solution interstitielle et des phases minérales
siliceuses des granulats
• Cette réaction génère des forces
internes d’expansion (gonflement
du gel de réaction alcalis-silice),
induisant ainsi de la fissuration
et la détérioration du béton affecté
du
11
Barrage
Beauharnois
Région de
Montréal
12
6
Grès de Potsdam
Barrage
Beauharnois
Région de
Montréal
13
Temps nécessaire pour la détérioration
• Moins de 5 ans à plus de 25 ans
• Dépend de plusieurs facteurs
• Type et niveau de réactivité des granulats (non
réactif, modérément réactif ou fortement réactif)
• Contenu en alcalis et proportions du mélange de
béton (le contenu en ciment et la teneur en alcalis du
ciment ont un effet sur le pH de la solution
interstitielle)
• Conditions d’exposition (disponibilité d’humidité
est critique pour générer une expansion excessive
associable à la RAG)
14
7
Conditions essentielles pour le
développement et le maintien de la
RAS dans le béton
Silice réactive
Contenu élevé
en alcalis
15
Humidité
élevée
Conditions essentielles pour le
développement et le maintien de la
RAS dans le béton
• Présence d’un
granulat réactif
16
• Fortement réactif:
variétés de roches
avec des phases
siliceuses
faiblement
cristallisées et du
verre volcanique
• Modérément à
fortement réactif:
roches contenant
du quartz
8
Conditions essentielles pour la RAS
• Forte teneur en alcalis dans le mélange
Oxide
%
SiO2
20.55
Al2O 3
5.07
• Teneur en alcalis du ciment:
% Na2O + 0.658 % K 2O =
% Na2O équivalent
Fe2O3
3.10
CaO
64.51
MgO
1.53
K 2O
0.73
• Teneur en alcalis du béton:
Na2O
0.15
SO 3
2.53
LOI
1.58
de béton: pH élevé dans la solution
interstitielle
contenu en ciment X alcalis du ciment
ex: 400
kg/m3
X 1.0% Na2Oeq = 4
kg/m3
17
Conditions essentielles pour la RAS
• Forte teneur en alcalis dans le mélange de béton:
généralement, l’expansion augmente avec une
augmentation du contenu en alcalis du béton
18
9
Alcalis du ciment à travers le Canada
19
•
Conditions essentielles pour la RAS
Disponibilité d’humidité
Water ponding
20
10
Situation de la RAG au Québec
•
•
Trois Provinces géologiques: (1) Bouclier canadien,
(2) Basses terres du St-Laurent, (3) Appalaches
RAS fonction de la géologie régionale
21
Situation de la RAG au Canada
22
11
•
•
23
Évaluation du potentiel de réactivité
alcaline des granulats à béton
méthode normalisée CSA A23.2-27A
Performance en chantier
Programme d’essai de laboratoire
• Examen pétrographique: RAC & RAS
(ASTM C 295)
• Méthode chimique: RAC
(CSA A23.2-26A)
• Essai accéléré sur barres de mortier: RAS
(CSA A23.2-25A, ASTM C 1260)
• Essai du prisme de béton: RAC & RAS
(CSA A23.2-14A, ASTM C 1293)
Performance en chantier
face à la RAG
24
12
Évaluation du potentiel de réactivité alcaline
Acceptation;
vérification périodique
de la réactivité
Évaluation d’une
source de granulats
Oui
Granulat déjà utilisé
dans le béton?
Oui
Non
Granulat sera utilisé
dans un mélange et une
Oui
classe d’exposition =
Performance en service
ou < sévère que dans les
satisfaisante ?
structures inspectées ?
Non ou information inadéquate Non
Travaux de laboratoire
25
Programme d’essais de laboratoire
Laitier
d’aciérie
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
26
Sélectionner
mesure
préventive
Expansion
> limite
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
13
Évaluation des sources de granulats
27
Évaluation des sources de granulats
28
14
Laitier
d’aciérie
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
Sélectionner
mesure
préventive
29
Expansion
> limite
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
Examen pétrographique
•
•
•
Première étape essentielle dans l’évaluation du
potentiel de réactivité alcaline des granulats à béton
Permet de reconnaître la nature du granulat (type
de roche), la présence de types de roches
potentiellement réactif, et de sélectionner le
meilleur essai à utiliser.
Principales approches:
• Examen macroscopique (œil nu ou avec un
stéréobinoculaire)
• Examen microscopique (sous microscope
pétrographique - lames minces)
30
15
Examen macroscopique
31
32
16
33
Examen microscopique
34
17
35
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
Sélectionner
mesure
préventive
36
Expansion
> limite
Laitier
d’aciérie
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
18
Méthode chimique pour la RAC
•
•
•
•
37
Test de dépistage pour la RAC
Analyse chimique pour Al2O3, MgO et CaO
Place les résultats sur un
graphique avec des zones
correspondant à des
granulats potentiellement
expansifs et non-expansifs
Dépistage seulement;
confirmation du potentiel
de RAC à être confirmé
par l’essai sur prismes de
Méthode d’essai CSA A23.2-26A
béton (CSA A23.2-14A)
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
Sélectionner
mesure
préventive
38
Expansion
> limite
Laitier
d’aciérie
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
19
Essai accéléré sur barres de mortier
• Conditions sévères: barres de mortier, 25 x 25 x 285 mm,
•
•
•
immergées dans 1N NaOH @ 80°C pour 14 jours
Limite d’expansion de 0.08-0.20% à 14 jours (CSA, ASTM)
Méthode d’essai
Évaluation du potential de RAS
CSA A23.2-25A
de granulats fins et grossiers
Bon essai de dépistage mais ne pas
utiliser pour rejeter des granulats
39
Essai accéléré sur barres de mortier
Critères d’expansion ASTM C 1260:
< 0.10% = non réactif
0.10 to 0.20% = potentially reactive
> 0.20% = réactif
Expansion (%)
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
7
14
Critères d’expansion CSA A23.2-25A:
> 0.15% = réactif
(tous les granulats sauf les calcaires)
> 0.10% = réactif
(calcaires et dolomies)
Temps (jours)
Note – d’autres agences/organisations
spécifient des limites d’expansion différentes
40
20
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
Sélectionner
mesure
préventive
41
Expansion
> limite
Laitier
d’aciérie
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
Essai sur prismes de béton (CPT)
• Conditions d’essai: prismes de béton, 75 x 75 x 300-400 mm
• Béton avec contenu en ciment de 420 kg/m3 et teneur en
alcalis du mélange rehaussée à 1.25% par rapport à la masse
du ciment (5.25 kg/m3 Na2Oeq)
42
21
Essai sur prismes de béton (CPT)
• Conditions d’essai: prismes de béton conservés à 38°C et
H.R. > 95% pour un an
• Limite d’expansion de 0.04% à un an
• Évaluation du
Méthode d’essai
CSA A23.2-14A
potentiel de RAC
et de RAS des
granulats fins
et grossiers
• Meilleure méthode
d’essai mais souvent
considérée comme
trop longue (un an)
43
Essai sur prismes de béton (CPT)
Expansion (%)
0.3
0.2
0.1
CSA Limit
0.0
0
3
6
9
12
Age (Months)
44
22
45
Échantillon Pétrographie Mortier Accéléré
46
Prisme Béton
D1
PR
0.290
PR
0.276
R
D2
PR
0.297
PR
0.199
R
D3
PR
0.185
PR
0.248
R
D4
NR
0.018
NR
0.016
NR
D5
PR
0.238
PR
0.178
R
23
Expansion à 80oC après 14 jours
Réactif (R) vs non réactif (NR) ?
Line of Equity
NR/R
R/R
0.04%
NR/NR
NR / R
0.04%
Expansion à 38oC après un an
47
Examen pétrographique
Granulats
autres que des
roches
carbonatées
Option: ne pas
tester;
Le granulat est
considéré
fortement
réactif
Roches
carbonatées
de carrières
Méthode
chimique
pour RAC
PR
Sélectionner
mesure
préventive
48
Expansion
> limite
Laitier
d’aciérie
Autres
types de
roches
Rejet
Non Essai accéléré
PR sur barres de
mortier
Expansion
> limite
Essai du
prisme
de béton
Expansion
< limite
Accept.
Expansion
< limite
24
Mesures préventives contre la RAG
• Utiliser un granulat non-réactif
• Exploitation sélective & bonification des granulats
Béton: 0.015%
Béton: 0.195%
49
Mesures préventives contre la RAG
• Limiter la teneur en alcalins du mélange de béton
• Ciment à basse teneur en alcalis
• Réduire teneur en alcalis du béton
50
25
Mesures préventives contre la RAG
• Utiliser une proportion adéquate d’ajout cimentaire
(cendres volantes, laitier, fumées de silice)
Cendre volante classe F
51
Effet des CV sur l’expansion
Expansion à 2 ans (%)
0.25
Calcaire Spratt
témoin
Cendre volante
CaO / Na 2Oe
30.0/2.26
0.20
0.15
15.9/8.46
0.10
21.5/1.94
0.05
13.6/3.77
5.57/2.30
0.00
0
52
26
52
78
Age (semaines)
104
Graphique de Thomas et al. (U. de Toronto)
26
Effet des CV sur l’expansion
Expansion à 2 ans (%)
0.20
Prismes de béton avec 25% CV
(cendres avec < 4% Na2Oeq.)
0.15
U of T
CTS
0.10
0.05
0.00
0
10
20
30
Calcium dans la cendre volante (% CaO)
Graphique de Thomas et al. (U. de Toronto)
53
Expansion (% - 2 ans)
Calcaire très réactif
0.32
0.28
0.24
0.20
0.16
0.12
0.08
0.04
0.00
-0.04
Duchesne (93)
témoin
(350 kg/m3; 590 lb/y3)
S+A: 50.5%
CaO: 20.7%
Na 2Oe: 8.55%
CV 1
S+A: 63.8%
CaO: 1.9%
Na 2Oe: 2.3%
20 40
CV 3
CV 2
S+A: 74.8%
CaO: 12.0%
Na 2Oe: 3.07%
20 40
20 40
Béton aux cendres volantes (%CV)
54
27
Fumées de silice et RAG
0.30
CSA A23.2-14A
• Calcaire siliceux
• 38oC et 100% HR
Expansion (%)
• 1.25% Na 2Oe
Control
0.20
7.5% SF
10% SF
0.10
12.5% SF
0.00
0
6
12
18
24
Age (Months)
Quantité de FS requise pour
rencontrer la limite d’expansion
de 0.04% à deux ans (> 10%)
Fournier et al. 1995
55
Fumées de silice et CV Classe C
Silica Fume & Class C Fly Ash
0.25
Class C Fly Ash Only
0.25
Control
5% SF
Effet de 5SF
0.20
30% Fly Ash
0.15
0.10
45%
0.05
0.00
60%
0
6
12
18
Age (Months)
0.15
0.10
%SF/%FA
5/20
0.05
5/30
0.00
24
50% ou plus de CV de type C
requis avec un granulat fortement
réactif
56
Expansion (%)
Expansion (%)
0.20
0
6
12
18
Age (Months)
24
Peut utiliser des proportions plus
“pratiques” de CV type C et de
fumées de silice dans systèmes
ternaires
Shehata and Thomas, 2002
28
Laitiers de hauts-fourneaux et RAG
CSA A23.2-14A
0.25
Control
• 1.25% Na 2Oe
• 38oC et 100% HR
Expansion (%)
• Calcaire siliceux
0.20
25% Slag
0.15
35% Slag
0.10
50% Slag
0.05
65% Slag
0.00
0
6
12
18
24
Age (Months)
Thomas and Innis, 1998
57
Laitiers de hauts-fourneaux et RAG
Béton sans laitier
CSA A23.2-14A
• 1.25% Na 2Oe
• 38oC et 100% HR
0.25
Expansion at 2 Years (%)
• 4 granulats
Siliceous
Limestone
0.20
Greywacke
0.15
0.10
Sandstone
0.05
Granite
0.00
Granulats
modérément
réactifs avec 25%
de laitier
58
0
25
50
75
Slag Level (%)
Thomas and Innis, 1998
29
Ajouts cimentaires - Mécanismes
• Capacité de l’ajout cimentaire ou de la combinaison
d’ajouts cimentaires à réduire le pH de la solution
interstitielle sous la valeur minimum requise pour
générer de l’expansion avec le granulat utilisé
• Consommation de la portlandite (Ca(OH)2) source des
ions OH- pour la solution interstitielle
• Réduction de la perméabilité du système --> réduit
l’apport d’humidité nécessaire à la RAS
59
Mesures préventives contre la RAS
•
Utiliser une quantité
appropriée d’un adjuvant
chimique (produit à base de
lithium)
60
30
Prévention chimique de la RAS
•
•
•
61
Premières études sur l’utilisation de produits
chimiques pour combattre la RAS ont été
effectuées au début des années 50
McCoy et Caldwell (1951) ont évalué plus de 100
produits pour déterminer leur efficacité à réduire
l’expansion associable à la RAS: les produits à base
de lithium, spécialement LiF, Li2CO3, LiCl et
LiNO3, ont démontré le meilleur potentiel de tous.
Depuis lors, plusieurs études ont été effectuées en
Australie, au Japon, en Angleterre, aux États-Unis
et au Canada.
Facteurs influençant l’efficacité du
lithium à réduire l’expansion
•
•
Degré de réactivité du granulat
Contenu en alcalis du mélange de béton
• ex: 0.90% (Na2Oeq) x 350 kg/m3 = 3.15 kg/m3 Na2Oeq
Alcalis du ciment
•
Contenu
en ciment
Le principal facteur est le rapport lithium : contenu
en alcalis du mélange de béton
i.e. Rapport molaire [ Li ] / [ Na + K ]
62
Contenu en alcalis du
mélange de béton
Alcalis du
mélange de béton
Additif chimique
31
Rôle du rapport lithium-alcalis
1.2
McCoy & Caldwell, 1951
Sakaguchi et al, 1989
Stark, 1992
Relative Expansion
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
(Mike Thomas,
University
of Toronto)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Molar ratio [Li/(Na+K)]
63
Lithium pour la prévention de la RAS
Prismes de béton - Siltstone (UK) - LiOH vs LiNO3
Expansion à 36 mois (%)
0.50
LiOH
0.40
LiNO3
0.30
0.20
0.10
0.00
0.0
64
(Thomas et al. 2000)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
[Li]/[Na+K] (rapport molaire)
32
Études récentes effectuées à CANMET
•
Utilisation de deux additifs chimiques à base de
lithium
• Hydroxide de lithium monohydrate (LiOH-H2O)
Dosage recommandé: 1 kg de LiOH-H2O pour chaque
kg de Na2Oeq dans le mélange de béton; cela
correspond à un rapport molaire [Li] / [Na+K] of 0.74
• Nitrate de lithium nitrate (LiNO3)
Dosage recommandé: 4.6 litres de LiNO3 liquide (30%
LiNO3) pour chaque kg de Na2Oeq dans le mélange de
béton; cela correspond à un rapport molaire [Li] /
[Na+K] of 0.74
65
Études récentes effectuées à CANMET
•
Essai sur prismes de béton CSA A23.2-14A
66
33
Sélection des mesures préventives
contre la RAG
méthode normalisée CSA A23.2-27A
•
•
Pour RAC: Meilleure mesure préventive est de ne
pas utiliser les granulats suceptibles de RAC
Pour ASR: méthode par étapes pour sélectionner
les mesures préventives contre la RAS en utilisant
une approche d’analyse de risque basée sur:
• Degré de réactivité des granulats
• Dimension de l’élément et conditions
environnementales
• Durée de vie anticipée de la structure
67
Degré de réactivité alcalis-silice
Degré
Exp. (%) à un an
dans CPT CSA
de
A23.2-14A (Note 1)
RAS
Non
< 0.040%
réactif
Modérément
0.040 – 0.120%
réactif
Fortement
> 0.120%
réactif
68
Exp. (%) à 14 jours
dans AMBT CSA
A23.2-25A (Note 1)
< 0.150% (0.100%
pour calcaires)
Note 2
> 0.150% (0.100%
pour calcaires)
Note 1: Combinaison de granulats fins et grossiers; si non disponible, et
pour AMBT, prendre la valeur individuelle la plus élevée.
Note 2: Si résultats essais sur béton non disponibles: granulats engendrant
expansion sur mortier > limites suggérées sont classés fortement
réactifs.
34
Niveau de risque de la RAS
Degré de réactivité (RAS)
Dimension et
environnement
Non Modérément Fortement
du béton
réactif
réactif
réactif
Non massif
1
1
2
et sec
Massif
1
2
3
et sec
Tous les bétons
1
3
4
(air humide,
enterrés, immergés
Note 1: Élément massif: dimension > 1m.
Environnement sec: H.R. ambiente moyenne < 60%
69
Niveau de Prévention
Durée de
Durée de
Niveau de Élément
risque de temporaire vie requise: vie requise:
> 50 ans
(durée de 5 à 50 ans
RAS
vie < 5 ans)
1
V
V
V
2
V
W
X
3
V
X
Y
4
W
Y
Z
V: Acceptation sans mesure préventive
W, X, Y, Z: Mesure préventive adéquate nécessaire
70
35
Mesures préventives proposées (RAS)
Option
Niveau prévention à
W
X
Y
W1, X1 • Rejeter le granulat, ou
ou Y1 • Utiliser options (W2/X2/Y2) ou (W3/X3/V3)
W2, X2 Limiter le contenu en
< 3.0 < 2.4 < 1.8
ou Y2 alcalis du système (kg/m3)
W3, X3 Utiliser une quantité suffisante d’un AC efficace
ou Y3 ou d’une combinaison efficace d’AC (Tableau)
• Rejeter le granulat
Z
• Utiliser les deux options Y2 et Y3
71
Guide pour l ’utilisation des ajouts cimentaires
% masse remplacement
Alcalis
Composition du ciment (< 1% Na2Oe
dans AC
de AC
W
X
Y&Z
(% Na2Oe)
CaO < 8% >15% > 20% > 25%
< 3.0%
CaO 8-20% > 20% > 25% > 30%
Cendre
CaO > 20%
Note 1
volante
CaO < 8% > 20% > 25% > 30%
3.0 – 4.5% CaO 8-20% > 25% > 30% > 35%
CaO > 20%
Note 1
> 4.5%
Note 1
Type
de AC
Note 1: Peut être utilisée en présence d’un granulat potentiellement
réactif si efficacité démontrée selon la méthode normalisée
CSA A23.2-28A
72
36
Guide pour l ’utilisation des ajouts cimentaires
Type Alcalis dans Compo. % masse remplacement du
ciment (< 1% Na2Oe)
AC
de AC
de AC
W
X
Y&Z
(% Na2Oe)
< 1.0%
…
>25% > 35% > 50%
Laitier
> 1.0%
Note 1
Note 1: Peut être utilisé en présence d’un granulat potentiellement
réactif si efficacité démontrée selon la méthode normalisée
CSA A23.2-28A
73
Guide pour l ’utilisation des ajouts cimentaires
Type Alcalis dans Compo. % masse remplacement du
ciment (< 1% Na2Oe)
AC
de AC
de AC
W
X
Y&Z
(% Na2Oe)
> 2x
> 2.5x > 3 x
SiO2 contenu contenu contenu
Fumées
> 85% alcalis alcalis alcalis
de
< 1%
SiO2
silice
Note 1
< 85%
> 1.0%
Note 1
74
Note 1: Peut être utilisées en présence d’un granulat potentiellement
réactif si efficacité démontrée selon la méthode normalisée
CSA A23.2-28A
Note 2: Si fumées de silice seulement utilisées contre la RAS,
ne pas utiliser moins de 7% par masse.
37
Guide pour l ’utilisation des ajouts cimentaires
Type de AC
Pozzolannes
Naturelles
•
•
Mélanges
ternaires
Proposed Requirements
Pouzzolannes naturelles rencontrant
les exigences de CSA A23.5 peuvent
être utilisées si efficacité démontrée
selon CSA A23.2-28A
Quand 2 ou plus de 2 AC sont
utilisés pour contrecarrer la RAS, le
niveau de remplacement minimum
proposé pour les AC pris
individuellement peut être réduit
partiellement (Tableau), à condition
que la somme de chaque portion
d’AC est > 1.
75
Gérance des
structures de béton
affectées par la
RAG
76
38
CSA A 864
Document
77
Approche globale pour la gérance des
structures affectées par la RAS
• Inspection sur le terrain (symtômes de détérioration,
détermination des conditions d’exposition)
• Échantillonnage (composantes avec / sans indice(s) de
détérioration)
• Programme d’esssais de laboratoire (examen
pétrographique, essais mécaniques et physiques)
• Monitoring in-situ (évaluation structurale & monitoring
à peut ne pas être requise lors de l’inspection
préliminaire ou de routine)
• Évaluation des données de terrain et de laboratoire
• Sélection du type d’intervention
78
39
Symptômes communs de la RAG au sein
des structures de béton
• Expansion différentielle des
éléments de béton
(déformation, mouvements,
déplacements)
• Macrofissuration de surface
• Décoloration de surface
autour des fissures
• Exsudations de gel (vs
efflorescence)
• Éclatements (pop-outs)
79
Programme d’inspection de routine
Inspection terrain
Indices visuels
de RAS
Carottage
Documentation
Travaux de labo
(pétrographie)
Non
DIAGNOSE
Dommages associables
à la RAS ?
Oui ou ?
Non
Besoin de plus
de travaux ?
80
Evaluer
d’autres
mecanismes
Oui
40
Symptômes visuels de la RAG
Déplacement causé par l’expansion du béton associable à la RAG
81
Symptômes visuels
de la RAG
Fissuration polygonale sur un mur de culée;
décoloration autour des fissures
82
Fissuration induite par la RAS dans une
poutre préfabriquée
Déplacement causé par la RAS dans un pont;
éclatement et extrusion du matériel de
scellement de joint
41
Symptômes visuels
de la RAG
Fissuration longitudinale induite dans une
dalle de structure routière
83
Fissuration longitudinale dans une
colonne en béton armé
Symptômes visuels de la RAG
Fissuration polygonale dans une colonne de
pont (Medicine Hat, Alberta)
Fissuration au sein de plusieurs
éléments d’une structure routière
(région de Québec)
84
42
Symptômes visuels
de la RAG
85
Exsudations de gel de silice
Diagnose de la RAG
• Lorsque les évidences
visuelles de RAG ont été
identifiées (inspection de
terrain):
• Est-ce que la RAG est la
seule cause des dommages
observés ?
• Quelle a été la contribution
de la RAG au processus de
détérioration observé ?
• Est-ce que le processus
d’expansion est terminé ?
86
43
Diagnose de la RAG
• Les symptômes visuels de RAG sont généralement mieux
représentés sur les composantes exposées à des conditions
sévères d’exposition (cycles de gel / dégel, de mouillage /
séchage, application de sels déglaçants)
87
Symptômes visuels de RAG
Symptôme
Faible
Probabilité de RAG
Moyen
Élevé
Expansion /
déplacement
Aucun
Présent
Fissuration et
motif de
fissuration
Décoloration
de surface
Aucun
Motif de fissuration Fissuration polygonale
présent
importante ou fissuration alignée
selon les armatures ou contraintes
Légère décoloration Fissuration avec coloration
de surface
brunâtre adjacente
Exsudations
Aucun
Aucun
Environnement Sec &
protégé
Évidences de gonflement
entrainant des déplacements
Exsudations autour Exsudations incolores et
des fissures
d’apparence gélatineuse
facilement identifiable (e.g. gel
associé à certaines fissures)
Extérieur mais sans Parties de composantes exposées à
mouillage
la pluie et l’humidité
88
44
Diagnose de la RAG
•
•
•
Symptômes visuels de
détérioration: ne permettent
généralement pas de conclure
sur la cause et la sévérité de la
détérioration
Les hypothèses doivent
généralement être confirmées
par des travaux effectués en
laboratoire et des mesures in-situ
Il faut être prudent: RAG peut
se produire sans créer de
dommages majeurs
89
Programme d’inspection de routine
Inspection terrain
Indices visuels
de RAS
Carottage
Documentation
Travaux de labo
(pétrographie)
Non
DIAGNOSE
Dommages associables
à la RAS ?
Oui ou ?
Non
Besoin de plus
de travaux ?
90
Evaluer
d’autres
mecanismes
Oui
45
Travaux de laboratoire
• Examen pétrographique (indices macroscopiques et
microscopiques de RAG è examen de sections
polies et de surfaces de fractures de béton sous le
stéréomicroscope et le microscope électronique à
balayage)
• Essais mécaniques (résistance en compression,
résistance en tension directe ou en fendage, module
d’élasticité et essai de rigidité)
• Essais d’expansion sur carottes prélevées à partir
des structures examinées
91
Examen pétrographique
•
92
Description macroscopique des carottes (fissuration,
auréoles de réaction, gels dans les pores du béton,
etc.)
Fisssuration verticale dans des carottes prélevées dans un pavage en béton
46
Examen pétrographique
•
Examen pétrographique de sections polies sous
stéréobinoculaire (fissuration, auréoles de
réaction, gels dans les pores du béton, etc.)
Auréole de réaction
Section polie
Gel dans bulle d’air
93
Fissuration dans granulat
Examen pétrographique
•
Examen pétrographique de surfaces de cassures
du béton sous un stéréomicroscope (auréoles de
réaction, gels de silice)
Produits de réaction
alcalis-silice
Surface de fracture du béton
montrant des dépôts de gel de silice
94
Gel de silice traité avec une solution
d’acétate d’uranyl sous illumination UV
47
Examen pétrographique
•
Examen pétrographique de surfaces de cassures
du béton sous un stéréomicroscope (auréoles de
réaction, gels de silice)
Produits de réaction
alcalis-silice
Surface de fracture du béton montrant des dépôts de gel de silice
95
Examen pétrographique
•
Examen de lames minces sous microscope
pétrographique (fissuration, gel de réaction
alcalis-silice)
Lame mince
96
Gel dans fissure au sein du granulat
48
Examen pétrographique
•
Examen au microscope électronique éa balayage,
(1): gel de réaction dans des pores de la pâte de
ciment, (2) gel couvrant une surface de fracture
de la pâte de ciment
(2)
(1)
97
Programme d’inspection de routine
Inspection terrain
Indices visuels
de RAS
Carottage
Documentation
Travaux de labo
(pétrographie)
Non
DIAGNOSE
Dommages associables
à la RAS ?
Oui ou ?
Non
Besoin de plus
de travaux ?
98
Evaluer
d’autres
mecanismes
Oui
49
Évaluation de l’ensemble des
observations de laboratoire et de terrain
Site
Laboratoire
Faible
Faible
Faible
Élevé
Élevé
Faible
Moyen
Moyen
Élevé
Élevé
Interpretation
La RAG n’est pas parmi les causes possibles de
détérioration du béton
Lien non possible; RAG est possible mais d’autres
phénomènes peuvent avoir empêché sa manifestation sur le
terrain; trouver autre mécanisme possible
• Échantillonnage non représentatif des endroits
endommagés
• Symptômes de terrain engendrés par un autre mécanisme
• Réaction à un stage non avancé
RAG est présente et a contribué au dommage; un autre
mécanisme de détérioration est possiblement actif
RAG s’est produite et a contribué de façon importante à la
détérioration
99
Programme d’inspection de routine
Inspection terrain
Indices visuels
de RAS
Carottage
Documentation
Travaux de labo
(pétrographie)
Non
DIAGNOSE
Dommages associables
à la RAS ?
Oui ou ?
Non
Besoin de plus
de travaux ?
10
0
Evaluer
d’autres
mecanismes
Oui
50
Besoin de plus de travaux:
• Condition actuelle du béton (expansion atteinte)
• Risque pour expansion future
Travaux détaillés
Porgramme de carottage
Travaux de laboratoire
•Examen pétrographique
•Essais mécaniques
•Essais d’expansion
•Alcalis solubles à l’eau
Essais in-situ
•Inspection détaillée sur le terrain
(distribution/degré de dommage)
•Expansion et mouvement
•Fissuration de surface
•Evaluation structurale
Evaluation globale des travaux de labo et de terrain
Est-ce que l’expansion est terminée ??
10
1
•
Propriétés mécaniques du béton
affectées par la RAG
Hysteresis contrainte - déformation pour béton
endommagé vs sain
10
2
51
Cracking due to ASR
Surface layer shows less reactivity
• Drier
• Alkali leaching
• Carbonation
Humid
3-D
Exp
Water
Table
Saturated
10
3
(Folliard and Thomas 2003)
Cracking due to ASR
•Macrocracking develops in the“skin”
of the concrete member
•Surface macrocracking is somewhat
related to the expansion of the concrete
Humid
3-D
Exp
Water
Table
Saturated
10
4
(Folliard and Thomas 2003)
52
•
Suivi de la fissuration
Indice de fissuration (IF) est
obtenu par la somme des
ouvertures de fissures sur
une distance de 1m
A
10
C
14
14
13
9
12
8
11
7
10
9
6
8
5
6
4
5
3
2
1
10
5
O
Major cracks
7
4
3
1
1
2
1
10
B
Suivi de la largeur des fissures
•
•
•
Indice de fissuration
(IF) est obtenu par la
sommation des
largeurs de fissures
sur une distance de 1m
(France, Angleterre)
Lorsque IF < 1 mm/m:
mesure suivante est
effectuée dans 12 mois
Lorsque IF > 1mm/m, mesures effectuées après 3, 6,
9 & 12 mois et vérifier l’évolution
10
6
53
Suivi de la largeur des fissures
•
•
Lorsque IF est < 0.5
mm/m/an:
monitoring est
effectué à même le
programme
d’inspection de
routine (3 - 5 ans)
Lorsque IF > 0.5
mm/m/an: étude
détaillée doit être
effectuée
10
7
Mesure de déplacement à petite échelle
•
Mesures dans une ou plusieurs directions pour
suivre les mouvements
Barrage Mactaquac (NB, Canada)
Structure routière dans le nord de la
France (Baillemont et al., 2000)
10
8
54
•
Mesures de
déformation
Plots d’acier
Structure routière dans la région
de Québec (Bérubé et al. 2001)
10
9
Mesures de déformation
•
Tiges en invar et sensors pour suivre les déformations
Structure routière dans le nord de la
France (Baillemont et al., 2000)
11
0
55
Mesures de
déformation
•
11
1
Distancemètre infra-rouge
Structure routière dans le nord de la
France (Baillemont et al., 2000)
Mesures de
température et
d’humidité
11
2
Structure routière dans la région
de Québec (Bérubé et al. 2001)
56
•
•
Mesures de déformation
Hollande: 20 ponts instrumentés pour évaluer l’effet
de la RAS sur les dalles (pas d’armature de
cisaillement)
Monitoring en continu de la To, humidité et de
l’expansion (cordes vibrantes)
11
3
Mesures de
température et
d’humidité
Cordes vibrrantes
Électrodes à cerceaux
11
4
57
Propriétés mécaniques du béton
affectées par la RAG
•
•
•
•
Résistance à la compression: +/- concluant sur le
degré de dommage associable à la RAG
Rapport de la résistance à la tension sur la
résistance à la compression: donne une meilleure
indication de la détérioration associable à la RAG
Module d’élasticité: fortement affecté par la RAG;
montre une diminution rapide lorsque l’expansion
associable à la RAG se développe
“Stiffness damage rating” (hysteresis contrainte déformation pour béton endommagé vs sain)
11
5
Travaux de laboratoire
Expansion atteinte à ce jour
(Smaoui et al. 2003)
Stiffness Damage Test
• 5 cycles de chargement/déchargement jusqu’à 10
MPa (Chrisp et al. jusqu’à 5 MPa)
•
•
11
6
Mesures de l’ énergie dissipée pendant le 1er cycle
et la déformation plastique après 5 cycles à offre
une corrélation raisonnable avec l’expansion
atteinte par le béton
Plus valable que les mesures de fissuration de
surface et moins sensible aux conditions
d’exposition
58
Stiffness Damage Test
11
7
12
0.007%
0.007%
10
8
6
4
2
0
0
100
200
0.038%
0.038%
10
Stress (Mpa)
Stress (Mpa)
12
300
400
8
6
4
2
0
500
0
Strain (mm/m)
10
8
6
4
2
0
11
8
0
200
300
400
500
300
400
500
Strain (mm/m)
?
12
0.095%
0.095%
Stress (Mpa)
Stress (Mpa)
12
100
100
200
300
400
Strain (mm/m)
500
0.166%
0.166%
10
8
6
4
2
0
0
100
200
Strain (mm/m)
59
Dissipated energy (joules x 10-3/m3)
Stiffness Damage Index
11
9
1.2
Quebec
R2=0.98
1.0
0.8
NM
R2=0.99
Potsdam
R2=1
Texas
R2=0.92
0.6
0.4
0.2
0.0
0.000
Limeridge
R2=0.83
0.080
0.160 0.240
Expansion (%)
0.320
0.400
Diagnosis/Prognosis - Essais d’expansion
•
•
Carottes conservées à
38°C et H.R. > 95%
(même condition que pour
l’essai sur prismes de
béton CSA A23.2-14A)
Expansion excessive peut
être indicative d’un
potentiel d’expansion
futur associable à la RAG
dans la structure de béton
12
0
60
Evaluation globale des travaux de labo et de terrain
Est-ce que l’expansion est terminée ??
Non
Approche de gestion
Monitoring
• Mesures
- à petite échelle
• Mesures à grande échelle
Programme de réparation
• Traitements (lithium, scellants)
• Confinement et renforcement
• Relâchement des contraintes
12
1
Interventions sur structures affectées
par la RAG
• Planifier un programme intensif de monitoring
• Mesures des fissures, distribution et évolution; humidité
et teneur en alcalis
• Suivi du développement des contraintes, déformation et
mouvement des membres structuraux
• Base permanente: instruments tels que pendules inversés,
inclinomètres, extensomètres, sur-carottage, nivellement)
• Essais de chargement (structures routières): deflexions,
déformations, rotation, contraintes
12
2
61
Interventions sur structures affectées
par la RAG
• Planifier un programme intensif de monitoring
• Mesures des fissures, distribution et évolution; humidité
et teneur en alcalis
• Suivi du développement des contraintes, déformation et
mouvement des membres structuraux
• Base permanente: instruments tels que pendules inversés,
inclinomètres, extensomètres, sur-carottage, nivellement)
• Essais de chargement (structures routières): deflexions,
déformations, rotation, contraintes
12
3
Intervention sur structures
affectées de RAG
• Réduire l’apport d’humidité (améliorer les
sytèmes de drainage, produits imperméabilisants)
• Traitement chimique (application de lithium)
• Application de contrainte de confinement
physique (encapsulation)
• Coupures de relaxation
12
4
62
Intervention sur structures affectées de RAG
• Réduire l’apport d’humidité
12
5
Effet de la RAG sur les structures de béton
• On peut vivre avec de la fissuration associable à la RAG
•
•
•
s’il n’y a pas de problème structural; toutefois, cette
fissuration peut engendrer d’autres problèmes
(corrosion, détérioration due au gel/dégel)
Expansion différentielle et mouvements sont
généralement inacceptables dans structures critiques
Il n’y a que très peu de cas de structures s’étant
effondrées ou ayant été démolies à cause de la RAG
Armatures et confinement ont un effet bénéfique à
restreindre l’expansion; toutefois, ces derniers peuvent
réduire la microfissuration mais pas nécessairement la
macrofissuration
12
6
63
Intervention - recouvrement physique et
produits imperméabilisants
•
Produits de scellement et membranes: efficacité est
fonction de la capacité du produit de permettre un
échange d’humidité
• Produits totalement impreméables sont +/- efficaces
• Produits permettant au béton de “respirer” (silane ou
siloxane) permettent un effet cosmétique mais aussi de
réduire l’humidité interne et l’expansion
12
7
Produits imperméabilisants
12
8
64
Produits imperméabilisants
12
9
Échantillon non traité
Traitement du silane
13
0
65
Produits imperméabilisants
13
1
Produits imperméabilisants
Control
Treated
13
2
66
•
•
•
•
Injection électrochimique
Injection sous pression
Imprégnation sous vide
Application de surface
• “Ponding”
• Vaporisation
D. Stokes, FMC Corporation
13
3
Traitement chimique des structures
affectées par la RAS
• Introduction des ions Li
pendant l’extraction
électrochimique
des ions chlores d’une
dalle de béton armé
• Topical application of
lithium salts on concrete
pavements affected
by ASR
Lithium-Salt Electrolyte
Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl
- Cl
- Cl
- +Cl - +
+ Li
+ Li
+ Li
+ Li
LiCl
Li
Cl
Cl
Cl - Cl Cl Cl Cl OH OH -
OH OH -
OH -
V
OH -
• Vacuum impregnation
13
4
67
(Footer at NJ Site)
Lithium (solution)
ANODE (grade 1 titanium)
Wood
Dam
Spacer
+
RECTIFIER
DC power
supply
3'
max.
Rebar
Lithium filled
Anode reservoir
13
5
13
6
Pile
Cap
3'
max.
D. Stokes, FMC Corporation
D. Stokes, FMC Corporation
68
Traitement chimique des structures
affectées par la RAS
• Introduction des ions Li
pendant l’extraction
électrochimique
des ions chlores d’une
dalle de béton armé
• Application superficielle
de sels de lithium sur le
pavage de béton affecté
par la RAS
• Imprégnation sous vide
(Courtesy of David Stokes, FMC Corporation)
13
7
Efficacité de l’application superficielle
Pappas 2002
SHRP-C-315
O
LiN
3
Trop tard ?
Trop tôt ?
Moment approprié pour le traitement !?
Est-ce que le lithium pénètre
de façon significative ?
Quel est l’effet de la
fissuration ?
Est-ce que le lithium se rend où il est le plus utile ?
13
(Courtesy
of M. Thomas, U. of New Brunswick)
8
69
Pavage en béton au Delaware
• Problèmes associés à la RAS: fissuration de surface,
•
13
9
microfissuration interne, éclatement aux joints
On croit que la RAS est encore à un stage peu avancé (Jim
Pappas III, 2002, Delaware DOT)
(Courtesy of David Stokes, FMC Corporation)
Pavage en béton au Delaware
• Solution proposée pour allonger la durée de vie du
pavage: application de surface avec une solution à base
de lithium.
• Détails du projet de traitement (Jim Pappas III, 2002,
14
0
Delaware DOT):
• 1.6M pi2 de surface totale
• Taux d’application: 6 gallons lithium / 1000 pi2
• Coût: $235K (US) pour 2 applications (printemps,
automne)
• Estimé des coûts impliqués pour un recouvrement de
surface de 3 po en enrobé bitumineux): $ 3.1 M (US)
• Reconstruction estimée à plus de $10M (US)
70
Pavage en béton
au Delaware
14
1
(Courtesy of David Stokes,
FMC Corporation, & Jim
Pappas III, Delaware DOT)
14
2
71
•
Traitement chimique
Impregnation sous vide
Vacuum
14
3
Traitement chimique
•
Impregnation sous vide
Resin/Lithium
14
4
72
Intervention sur structures affectées de RAG
• Application de contrainte de confinement physique
(encapsulation) --> enlève le béton fissuré et place
nouveau béton
14
5
Intervention sur
structures affectées de
RAG
•
Pell Interchange
(Afrique du sud)
14
6
73
Intervention sur structures affectées de RAG
•
Pell Interchange
(Afrique du sud)
14
7
Intervention sur structures affectées de RAG
• Application de contrainte de confinement physique
(encapsulation) --> matériaux composites
14
8
74
14
9
Intervention sur structures affectées de RAG
• Application de contrainte de confinement physique
(encapsulation) --> plaques et tiges d’acier
15
0
75
Intervention sur structures affectées de RAG
• Cas des pylônes
d’Hydro-Québec région de Québec
15
1
Intervention sur structures affectées de RAG
• Symptômes de
détérioration
15
2
76
15
3
15
4
77
15
5
15
6
78
Barrage principal
Évacuateur de crues
Prise d’eau
Barrage
Mactaquac
NouveauBrunswick
Pertuis de dérivation
15
7
Barrage Mactaquac
Nouveau-Brunswick
15
8
79
Monitoring In-situ
Prise d’eau
Centrale
15
9
Intervention - Relâchement de contraintes
• Coupures de relaxation: commun chez barrages
• Solution temporaire pour structures où RAG n’est
pas complétée --> recoupure souvent nécessaire
16
0
80
Intervention - Relâchement de contraintes
Prise d’eau
Conduite forcée
Diamond
coated
wire
16
1
Conclusions
•
•
•
RAG est un des nombreux mécanismes affectant la
durabilité du béton
RAS est la forme la plus commune de RAG
Les conditions essentielles pour que la RAG soit
initiée et maintenue dans le béton sont:
• Présence des particules réactives dans le granulat
• Forte teneur en alcalis dans le mélange (seuil de
réactivité varie d’un granulat à un autre)
• Présence d’humidité
16
2
81
Conclusions
•
Un bon programme d’essais pour l’évaluation du
potentiel de réactivité alcaline des granulats devrait
inclure une variété d’essais, dont les suivants:
• Visite et cartographie de la source de granulats
• Examen pétrographique
• Essai de dépistage sur mortier (e.g. essai accéléré
sur barres de mortier (CSA A23.2-25A)
• Essai à long-terme généralement plus réaliste
(CSA A23.2-14A)
16
3
Conclusions
• On peut prévenir l’expansion et la fissuration
associable à la RAG comme suit:
• Utiliser des granulats non-réactifs
• Limiter la teneur en alcalis du mélange de béton
sous un certain seuil (3 – 2 kg/m3 Na2O eq)
• Utiliser une quantité appropriée de cendres
volantes (minimum 20-30% Classe F), laitier
(minimum 35%), fumées de silice (minimum 78%), pouzzolannes naturelles (minimum 20-30%)
ou combinaisons de ceux-ci (systèmes ternaires)
• Utiliser une quantité appropriée d’un adjuvant
chimique (produit à base de lithium)
16
4
82
•
•
•
•
16
5
Conclusions
Il n’y a que quelques rares cas de structures de béton
démolies à cause de la RAG
Les armatures et le confinement ont un effet bénéfique
à contenir les efforts d’expansion associables à la
RAG; toutefois, ceux-ci peuvent réduire la
microfissuration interne mais non la macrofissuration
de surface
On peut peut-être vivre avec la fissuration associable à
la RAG s’il n’y a pas de problèmes structuraux
impliqués. La RAG peut toutefois engendrer d’autres
problèmes (corrosion, gel-dégel)
Expansion différentielle et les mouvements sont
généralement inacceptables dans le cas de structures
critiques à une action est nécessaire
Conclusions
•
Les mesures de correction les plus communément
utilisées sur les structures affectées par la RAG
sont:
• Réduire l’apport d’humidité (modifier le sytème
de drainage, produits de scellement, membranes)
• Traitement chmique (e.g. lithium)
• Renforcement, encapsulation (armatures,
matériaux composites)
• Coupures de relaxation (relâchement des
16
6
contraintes)
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