8.8 Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats
8.8.1 Introduction
On désigne par Réaction-Alcalis-Granulats (RAG) la réaction du granulat avec les alcalis de la solution interstitielle des pores du béton. Les conditions requises pour cette réaction sont la combinaison d’un granulat sensible aux alcalis, une teneur en alcalis suffisamment élevée et une humidité suffisante dans le béton (fig. 8.8.1).
Fig. 8.8.1: Conditions requises pour la réaction alcalis-granulats.
Granulats alcalis-réactifs
En Suisse, les roches qui se sont avérées le plus fréquemment réactives, sont des calcaires siliceux, calcaires gréseux, grès, grauwackes, gneiss, mylonites, quartzites et schistes. Ces types de roches se rencontrent presque dans tous les granulats suisses, en proportions variables.
Alcalis
Les alcalis (sodium et potassium) de la solution interstitielle des pores du béton proviennent avant tout du ciment et des additions. De manière simplifiée, la teneur en alcalis est exprimée en Na2O équivalent (Na2Oeq = 1 % en masse Na2O + 0.658 % en masse K2O). Les alcalis participant à la réaction sont appelés alcalis actifs.
Les alcalis dans les bétons contenant des granulats à mineraux altérés peuvent aussi provenir p. ex. des feldspaths ou des micas. Les alcalis peuvent également être amenés de l’extérieur par les sels de déverglaçage, la nappe phréatique ou les eaux de source de montagne. L’apport dépend des conditions de l’environnement, mais aussi de la perméabilité du béton.
Humidité
Le développement de la RAG dépend surtout des conditions d’humidité régnant dans l’ouvrage. Elle progresse tant qu’une humidité minimale et une teneur en alcalis suffisante sont présentes. L’humidité minimale nécessaire dépend de la teneur en alcalis de la solution interstitielle des pores et se situe à environ 70–80 % d’humidité relative dans le béton. Dans les ouvrages massifs en béton (épaisseurs > 50–60 cm), qui ne sèchent jamais complètement, l’humidité propre est suffisamment élevée pour induire le développement de la RAG.
Les infiltrations d’eau dans le béton, accentuées par des fissures induites par des déformations de retrait entravées,le gel ou la corrosion favorisent le développement de la RAG dans le béton.
8.8.2 Typologie apparente
Dégradations visibles en surface
En général, on observe sur l’ouvrage des fissures en réseau caractéristiques, accompagnées d’efflorescences blanches ou sombres (fig. 8.8.2). La surface du béton est parfois colorée en rose et les fissures sont bordées de liserés brunjaune à gris sombre. Sur les surfaces cassées, les granulats réactifs affichent des bordures (auréoles) de réaction sombres (fig. 8.8.3).
Fig. 8.8.3: Bordures de réaction sombres des granulats réactifs visibles sur une surface cassée d’une carotte de béton.
Développement des fissures
Des fissures parallèles à la surface apparaissent avec la progression des dégradations à différentes profondeurs, souvent au niveau de l’armature (fig. 8.8.4). Il n’y a pas de corrélation entre la fissuration visible à la surface (ouverture, profondeur) et l’étendue des fissures parallèles à la surface dans la section de l’élément d'ouvrage. Il n’est donc pas possible de conclure, à partir des dégradations observées en surface, sur un état du béton au coeur ou à la face arrière d’un élément d'ouvrage.
Fig. 8.8.4: Formation d’une fissure parallèle à la surface du parement, observée sur un mur de soutènement armé.
La RAG peut conduire à une destruction progressive du béton en donnant naissance à un réseau de fissures serrées, de grande ouverture et avec des déplacements latéraux (fig. 8.8.5).
Fig. 8.8.5: Destruction du béton par la RAG: réseau de fissures à mailles serrées, à grande ouverture et avec des déplacements latéraux.
La RAG produit une distribution hétérogène des désordres dans les éléments d'ouvrage. Outre les pertes de résistances mécaniques, il résulte un risque accru de dégâts dus au gel ou à la corrosion (fig. 8.8.6). L’aptitude au service peut être affectée, si des déformations entravent le bon fonctionnement de l'élément.
Fig. 8.8.6: Dégâts de gel suite à la dégradation du béton par la RAG.
Fig. 8.8.2: Fissures en réseau dues à la RAG: coloration rose de la surface du béton, efflorescences sombres (à gauche), efflorescences calcaires blanches, liserés brun-jaune (à droite).
8.8.3 Causes et mesures préventives
La vitesse avec laquelle un dégât de RAG se développe est variable et est influencée par la qualité du béton, le granulat, l’exposition de l’élément d’ouvrage (surtout l’humidité, les cycles de température), l’armature, etc.
Plus la teneur en alcalis de la solution interstitielle des pores du béton est élevée, plus la teneur en ions hydroxydes (valeur de pH) sera élevée. Les ions hydroxydes attaquent la silice contenue dans le granulat pour former un gel hydraté de silicates d’alcalis et de calcium, appelé en général brièvement «gel» (fig. 8.8.7).
Fig. 8.8.7: Dépôt de gel silicaté dans les fissures et un pore d’air d’un béton dégradé (photo: lumière UV).
La solubilité de la silice dépend de sa structure cristalline:
la silice amorphe (p. ex. opale, silex, silicifications des calcaires et des grès) est plus facilement soluble que la silice à structure cristalline (quartz) plus ou moins ordonnée (p. ex. dans les gneiss et grès). Il existe différents types de roches alcalis-réactives pour lesquelles l’étendue des dégâts et la vitesse de développement de la réaction varient. Les granulats suisses appartiennent en règle générale aux granulats à cinétique de réaction lente.
Le gel peut absorber de grandes quantités d’eau, produisant ainsi une pression d’expansion. Dès que celle-ci dépasse la résistance à la traction du granulat, des fissures se créent dans le béton à partir du granulat. En surface, des fissures caractéristiques apparaissent en réseau. La fissuration affectant le granulat et la pâte de ciment affaiblit fortement la structure du béton et mène à de grandes pertes au niveau des résistances mécaniques (fig. 8.8.8).
Fig. 8.8.8: Fissuration typique due à la RAG du granulat et de la pâte de ciment (photo: lumière UV).
Mesures préventives
Les dégâts dus à la RAG peuvent être évités par des mesures liées à la technologie du béton et, le cas échéant, par des mesures supplémentaires (béton résistant à la réaction alcalis-granulats).