HomeGuide pratique du béton6.4 Béton résistant à la réaction alcalis-granulats

6.4 Béton résistant à la réaction alcalis-granulats

 

6.4.1 Introduction

La réaction alcalis-granulats (RAG) est une réaction entre des constituants du granulat et la solution interstitielle du béton. Certains granulats sont chimiquement instables dans le milieu alcalin du béton et produisent un gel gonflant, nocif pour le béton.

La RAG a pris de l’importance en Suisse durant les dernières années, puisque le nombre d’ouvrages très divers, identifiés comme atteints par la RAG, a fortement augmenté. Les dégâts apparaissent en règle générale à un âge de l’ouvrage entre 20 et 40 ans. Les dégradations des ouvrages dues à la RAG sont traitées plus en détail ici: dégradations du béton.


6.4.2 Exigences normatives

Spécification

Le cahier technique SIA 2042 «Prévention des désordres dus à la réaction alcalis-granulats (RAG) dans les ouvrages en béton» règle avec les normes SIA 262 et SN EN 206 les exigences relatives à un béton résistant à la RAG. La procédure par étape prévoit:
  • l’évaluation de la classe de risque de l’ouvrage
  • l’évaluation des classes d’environnement
  • la définition de la classe de prévention
  • la spécification des exigences pour le béton
Classes de risque
L’auteur du projet et le maître d’oeuvre attribuent ensemble à l’ouvrage une classe de risque. Le classement dans une des classes de risque R1 (faible), R2 (modéré) et R3 (élevé) tient compte de divers aspects concernant l’importance et la fonction de l’ouvrage. Le cahier technique SIA 2042 fournit, dans son annexe A, les indications pratiques à suivre pour l’établissement des classes de risque.

Classes d’environnement
Les sollicitations de l’ouvrage sont évaluées à l’aide des classes d’environnement U1 à U3. Elles prennent en compte le degré de saturation en eau du béton, les effets produits par les variations de température, les apports extérieurs d’alcalins provenant des sels de déverglaçage, des eaux souterraines ou de l’encaissant (tab. 6.4.1). Les conditions d’exposition peuvent être aggravées par un milieu chimiquement agressif, une orientation sud des surfaces des éléments de construction, de grands cycles journaliers de température, un nombre annuel de cycles gel-dégel au-dessus de la moyenne, etc.



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Tab. 6.4.1: Attribution des sortes de bétons les plus importantes aux classes d’environnement U1, U2 et U3 selon le cahier technique SIA 2042, annexe B.

Classe de prévention
Le niveau de prévention est défini à l’aide des classes de prévention P1 (bas), P2 (normal), P3 (élevé). Celles-ci sont issues d’une combinaison d’une classe de risque R1, R2 ou R3 avec une classe d’environnement U1, U2 ou U3 (tab. 6.4.2).

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Tab. 6.4.2: Etablissement de la classe de prévention à l’aide des classes de risque et d’environnement selon le cahier technique SIA 2042.

Pour la classe de prévention P1, aucune mesure particulière supplémentaire par rapport aux exigences des autres normes à respecter n’est requise. Pour les classes de prévention P2 et P3, l’utilisation d’un béton résistant à la RAG est prescrite. La classe P3 préconise la mise en oeuvre de mesures supplémentaires relatives à la conception structurale, la protection et la surveillance, et la maintenance de l’ouvrage (cahier technique SIA 2042, annexe C). Si un élément de construction appartient à deux classes de prévention (p. ex. face avant et arrière, supérieure et inférieure, externe et interne), les exigences de la classe supérieure prévalent.
Le tableau 6.4.2 illustre que la résistance à la RAG est une exigence qui concerne avant tout les bétons de génie civil (classes d’environnement U2 et U3) et qu’elle constitue une exception pour les bétons du bâtiment (combinaison U1/R3). Les spécialistes Holcim offrent leur soutien pour l’établissement des classes de prévention qui nécessite un examen approfondi.

Spécification du béton
Selon les classes de prévention P2 et P3 le béton est spécifié comme un béton à propriétés spécifiées avec l’exigence complémentaire de la résistance à la RAG, p. ex.:

Béton selon la SN EN 206
  • C 30/37
  • XC4, XD3, XF4
  • Dmax 32
  • Cl 0.10
  • C3
Exigence complémentaire: résistance à la RAG classe P2 selon le cahier technique SIA 2042.

Un béton résistant à la RAG selon le cahier technique SIA 2042 peut être fourni seulement par des producteurs de béton certifiés selon la SN EN 206.


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Fig. 6.4.1: Procédure de prévention de la RAG pour les trois classes de prévention P1, P2 et P3 selon le cahier technique SIA 2042.

Essais

La procédure de prévention de la RAG, en fonction de la classe de prévention, est présentée de manière synoptique dans le graphique de la figure 6.4.1. Le cahier technique SIA 2042 prévoit une démarche au laboratoire en trois étapes pour la justification de la résistance à la RAG.

L’innocuité d’un granulat est contrôlée sur la base de l’analyse pétrographique et de l’essai Microbar. L’analyse pétrographique est nécessaire afin de prouver que l’essai Microbar est capable de reconnaître correctement la non-réactivité du granulat. Il est également possible de renoncer à l’essai Microbar et de procéder directement au contrôle de la résistance à la RAG du béton. En cas d’utilisation d’un granulat réactif, recyclé ou léger, la résistance à la RAG du béton doit être prouvée par un essai de performance du béton.

Il est permis de faire valoir des expériences à long terme sur la base d’autres bétons similaires bien documentés, qui ont été utilisés pour la construction d’éléments d'ouvrage d’un âge d’au moins 30 ans et comparables (géométrie, armature, orientation, exposition, utilisation), ne montrant aucun désordre significatif. Cependant cette justification n’est admise que pour la classe de prévention P2.

Essai Microbar
La réactivité potentielle des granulats vis-à-vis des alcalins du béton est mesurée par des essais de gonflement d’éprouvettes de mortier soumises à des cures successives dans la vapeur d’eau, puis à l’autoclave à 150° C dans une solution de potasse (fig. 6.4.2). L’allongement relatif à la fin de l’essai doit être < 0.110 %.

Essai de performance du béton
La sensibilité d’une formule de béton à l’égard de l’alcali-réaction est mesurée par un essai de gonflement de trois prismes en béton de dimensions 70 mm × 70 mm × 282 mm, conservés dans une enceinte à 60° C en atmosphère saturée d’humidité et dont on mesure la déformation mensuelle pendant 5 ou 12 mois (fig. 6.4.3). Le seuil d’allongement pour un béton résistant à la RAG est après 5 mois ≤ 0.200 ‰ et après 12 mois ≤ 0.300 ‰.

Possibilité de transposer les résultats des essais de performance du béton
Au stade du bétonnage, la formulation d’un béton résistant à la RAG ne doit pas être modifiée sans l’avis d’un spécialiste. Si une telle modification s’impose cependant pour des raisons impératives de mise en oeuvre, la centrale à béton peut proposer une alternative respectant les exigences du cahier technique SIA 2042. La preuve de la résistance à la RAG d’un béton, établie au moyen de l’essai de performance, peut s’étendre à d’autres formulations lorsque les conditions relatives au granulat, type et dosage du ciment, additions et adjuvants sont remplies (tab. 6.4.3).


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Fig. 6.4.2: Procédure de l’essai Microbar selon le cahier technique SIA 2042.

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Fig. 6.4.3: Procédure de l’essai de performance du béton selon le cahier technique SIA 2042.

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Tab. 6.4.3: Conditions cadre de transposition des résultats d’essai de performance du béton selon le cahier technique SIA 2042.

 

6.4.3 Technologie du béton

 

Généralités

Un béton résistant à la RAG est confectionné, soit à partir d’un granulat non réactif, soit à partir d’une formulation de béton réalisée avec un dosage et un type de ciment adéquats, éventuellement avec des additions appropriées, permettant de contenir la réactivité du granulat dans un niveau acceptable.

On désigne par teneur critique en alcalins la teneur en alcalins dans le béton à partir de laquelle la réaction du granulat commence à provoquer des déformations significatives. La teneur critique en alcalins varie selon l’occurrence des granulats qui réagissent différemment aux changements de la teneur en alcalins du béton. Les mesures de prévention de la RAG ne sont donc pas transposables d’emblée d’une région à l’autre.

 

Ciment

Le clinker de ciment représente normalement dans le béton la source la plus importante en alcalins impliqués dans la réaction. Pour la production des bétons résistants à la RAG, on emploie généralement des ciments Portland composés avec une teneur réduite en clinker, comme p. ex. l’Optimo 4, le Robusto 4R-S, le Fortico 5R, etc. ou du ciment au laitier comme le Modero 3B.

 

Eau de gâchage

L’utilisation d’eau recyclée est admise sous réserve de la preuve de son innocuité pour la production de béton résistant à la RAG, compte tenu du fait qu’elle peut conduire à un apport externe d’alcalins supplémentaires.

 

Granulat

Le type de granulat réactif est le facteur de plus grande influence sur la vitesse de réaction. Les types de roches contenant de la silice sous forme amorphe ou partiellement cristallisée réagissent plus rapidement que les silicates avec un réseau cristallin non déformé. Les granulats poreux, fissurés, mais aussi fraîchement concassés, se révèlent plus réactifs que des granulats denses, non fissurés, naturellement roulés. Les gros granulats réagissent plutôt lentement, mais provoquent de plus fortes déformations et désordres que les granulats fins.

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Fig. 6.4.4: Mur de soutènement pour un passage souterrain.

La plupart des granulats suisses sont constitués par un mélange de différents types de roches. On rencontre ainsi pratiquement partout des granulats contenant, en proportions variables, des roches plus ou moins alcaliréactives. Parmi les granulats suisses, seuls les calcaires purs, les dolomies, les schistes calcaires et les marbres, qui ne sont ni gréseux ni siliceux, sont considérés comme non alcali-réactifs. Toutes les autres types de roches, comme les calcaires siliceux, les grès, les gneiss, les roches vertes, les granites et autres roches cristallines, présentent une alcali-réactivité potentielle.

En Suisse, les roches non alcali-réactives sont rares et surtout présentes dans l’arc jurassien. Les granulats roulés du Plateau suisse sont plutôt peu sensibles aux teneurs habituelles en alcalins des bétons. Cependant, dans le cas de teneurs en alcalins élevées et un environnement humide, ces granulats peuvent réagir fortement.
Les granulats des Préalpes et Alpes peuvent être parfois très réactifs et provoquer des désordres significatifs, même en présence de faibles teneurs en alcalins du béton. Les granulats riches en feldspaths et en micas altérés peuvent constituer une source d’alcalins interne au béton et favoriser la réaction.

La norme SN EN 12620 considère par principe le granulat recyclé, p. ex. le granulat de béton ou le granulat de gravats mixtes, comme potentiellement réactif. Les granulats industriels tels que le verre, le verre expansé, ou l’argile expansée contiennent de la silice amorphe et sont généralement classés comme potentiellement réactifs.

 

Adjuvants

La teneur en alcalins de certains adjuvants, p. ex. les fluidifiants ou les accélérateurs, influence de manière significative les gonflements dus à l’alcali-réaction. De ce fait, tous les adjuvants entrant dans la formulation d’un béton doivent être compris dans la recette testée par l’essai de performance du béton.

 

Additions

Les additions permettent, non seulement de réduire la teneur en clinker du ciment, mais aussi de baisser, dans le béton, la valeur pH et la concentration en alcalins de la solution interstitielle des pores. De cette manière, l’alcali-réaction des granulats est diminuée, voire empêchée. L’emploi de farine de roches pouzzolaniques (p. ex. trass, phonolithes) doit être absolument contrôlé. Selon leur provenance et /ou la combinaison avec un granulat donné, elles peuvent avoir un effet positif, mais aussi négatif sur la RAG.

 

Rapport E/C

Un rapport E/C bas conduit à une faible porosité capillaire et à une structure du béton plus dense. Ceci freine la diffusion des alcalins vers le granulat réactif et réduit l’apport d’eau externe. Un rapport E/C élevé provoque, par le biais de la porosité capillaire plus élevée, une saturation en eau cyclique plus rapide et plus élevée. De plus, l’apport externe d’alcalins par les sels de déverglaçage peut augmenter. De ce fait, le risque de dégâts accompagnant la RAG se renforce (corrosion, gel).

Les bétons denses ne sont pas, par principe, résistants à la RAG. Ils ne sèchent que très lentement, voire jamais complètement lorsque l’épaisseur de l’élément est importante. Ils peuvent posséder un taux d’humidité suffisant au coeur du béton pour provoquer une RAG. Lorsque le rapport E/C baisse, la quantité d’eau dans le volume de pores diminue et la concentration en alcalins et la valeur pH de la solution de pores augmentent. Ainsi l’agressivité de la solution des pores vis-à-vis des granulats s’accroît.


6.4.4 Recommandations pour la réalisation des bétons résistants à la RAG

Pour le bâtiment, on ne devrait recourir qu’exceptionnellement à des bétons résistants à la RAG béton. Par contre, la durée de service nettement plus longue de 80 à 100 ans des ouvrages d’art du génie civil doit être prise en compte par le choix de la classe de risque R3.

Le cahier technique SIA 2042 préconise pour la classe de prévention P3, en plus des exigences de technologie du béton, des mesures supplémentaires qui sont à établir par l’auteur du projet. Pour le génie civil, les mesures sont définies dans la convention d’utilisation, tandis que pour le bâtiment, elles peuvent aussi être intégrées dans la base du projet.

Les mesures supplémentaires sont les suivantes:
  • mesures relatives à la convention d’utilisation et à la base du projet
  • mesures de conception structurale
  • mesures de calcul
  • mesures de protection
  • mesures relatives à l’appel d’offres, à la réalisation et à l’exploitation.

Dans le cas d’installation d’infrastructures, dont la stabilité dimensionnelle est primordiale pour l’aptitude au service, comme p. ex. des vannes ou des fondations de turbines, les effets de la RAG ne sont pas seulement à considérer lors de l’évaluation du risque RAG, en ce qui concerne la durabilité du béton, mais aussi à l’égard du fonctionnement de l’installation dans son ensemble. Les épaisseurs d’éléments de construction supérieures à 1 m sont à considérer puisqu’elles rendent l’assèchement du béton difficile et conduisent à des gonflements absolus élevés et donc à d’importants dégâts.

Lorsqu’un béton à composition prescrite est prévu par le maître de l’ouvrage (p. ex. en cas d’emploi de matériel d’excavation d’un tunnel), celui-ci assume la responsabilité et l’obligation de justifier la résistance à la RAG du béton avant la soumission.

 

Conditions d’environnement

Les paramètres les plus importants de l’évaluation des conditions d’environnement sont l’humidité, la température et l’apport externe d’alcalins. Les températures élevées accélèrent le développement de la RAG. Les conditions d’environnement peuvent s’aggraver par des sollicitations cycliques de l’élément d'ouvrage. Par rapport aux éléments placés dans conditions environnementales constantes, les ouvrages en béton soumis à de forts et fréquents changements climatiques, p. ex. des cycles sec-humide ou de gel-dégel, présentent des dégradations bien plus intenses.
Les sels de déverglaçage constituent un apport d’alcalins, favorisant localement la RAG dans les parties d’éléments d’ouvrage exposées. Un mécanisme de dégradation comparable existe lorsque des agents dégivrants ou de déverglaçage comme les formiates ou les acétates sont employés. Ces substances provoquent une augmentation extrême de la valeur du pH de la solution interstitielle des pores, laquelle réagit avec le granulat de manière analogue à de l’alcali-réaction.

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Fig. 6.4.5: Barrage.




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