Réaction alcali-granulat

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Surface d'un pilier de béton présentant les signes caractéristiques de faïençage de la réaction alcali-silice (RAS). Le gel exsudé à travers les fissures est très souvent de couleur jaune et possède un pH élevé.

Les réactions alcali-granulat (aussi connues sur l'acronyme RAG) constituent une famille de réactions de dégradation endogènes aux bétons. Ces réactions ont lieu entre les ions hydroxyles (OH) accompagnés (en raison de l'électro-neutralité des solutions aqueuses) par les ions alcalins solubles (Na+, K+) présents dans la solution interstitielle du béton (principalement ions sodium et potassium) et les granulats. Elles conduisent au gonflement et à la fissuration des bétons affectés[1] ainsi qu'une diminution des propriétés mécaniques du béton (résistance à la compression, à la traction, à la flexion, et modification du module de Young) réduisant ainsi la durée de vie des ouvrages affectés.

Ces réactions ont lieu sous trois conditions:

  • réactivité des granulats,
  • présence en quantités suffisantes d'ions hydroxydes et de cations alcalins en solution interstitielle,
  • taux d'humidité interne du béton suffisant.

Cette famille de réactions est composée de 3 réactions:

  • la réaction alcali-silice (principale responsable de la RAG)
  • la réaction alcali-silicate (si le béton est souillé par de la terre ou des argiles)
  • la réaction alcali-carbonate (beaucoup moins fréquente et impliquant la dolomie)

Types de réactions alcali-granulat[modifier | modifier le code]

Réaction alcali-silice[modifier | modifier le code]

Les granulats, quand ils contiennent une quantité suffisante de silice y sont vulnérables : la silice amorphe ou mal cristallisée (opale, calcédoine, chert, ...) est la plus altérable et réagit avec les ions hydroxyles (OH) de la solution interstitielle hyperalcaline (dominée par KOH et NaOH, pH = 13.5) contenue dans la porosité de la pâte de ciment durcie. La dissolution de la silice (acide silicique: SiO2 + H2O → H2SiO3; H2SiO3 + 2 NaOH → Na2SiO3 + 2 H2O) en condition très basique conduit à la formation de silicate de sodium et de potassium au détriment de la durée de vie du béton en provoquant « un gonflement du béton dû à une fissuration microscopique sous pression de produits de réaction qui sont des gels gonflant par absorption d’eau. Si le béton est chargé, la fissuration microscopique se développe en fonction du chargement local du béton, ce qui induit une anisotropie de comportement et de déformation du béton »[2]. La cinétique de l'attaque est contrôlée par un ensemble de paramètres tel que le pH, l'alcalinité (concentration en ions OH), la concentration en ions calcium (Ca2+), la nature plus ou moins amorphe ou cristalline de la structure du granulat SiO2etc.

Les ponts siloxanes –Si–O–Si– de la structure polymérique de la silice colloïdale solide sont hydrolysés et des groupements de surface silanols –Si–O (déprotonés en conditions basiques) sont créés. Les charges électriques négatives des groupes silanols sont contrebalancées par les charges positives des cations K+ et Na+. Le nouveau composé produit est un gel fortement hydrophile qui gonfle en présence d'eau. Les produits que l'on nomme "gels" sont également appelés K-C-S-H, N-C-S-H et C-S-H (notés ici avec des tirets pour souligner la non-stœchiométrie des composés) selon la notation de la chimie du ciment. Il s'agit de phases hydratées polymériques composées de potassium (K, pour K2O), de sodium (N, pour Na2O), de calcium (C, pour CaO), de silicate (S, pour SiO2) et d'eau (H, pour H2O).

Mécanisme de la réaction alcali-silice[modifier | modifier le code]

Les granulats réactifs de SiO2 amorphe gonflent suite à leur attaque par les hydroxydes alcalins présents dans le béton (KOH et NaOH) produisant un gel hygroscopique de silicate de sodium et de de potassium. Si l’on considère le seul cas du silicate de sodium (Na2SiO3·n H2O) afin de simplifier le système, le principe fondamental de la réaction chimique alcali-silice peut s’écrire schématiquement de la façon suivante dans l'ancienne notation industrielle des silicates (par analogie avec le comportement chimique de l'anion carbonate):

SiO2 + 2 NaOH → Na2SiO3 · H2O

Il s’agit de la dissolution en conditions hyper-alcalines (pH ≥ 13.5) de la silice hydratée (acide silicique, suivant la notation choisie: H2SiO3, H4SiO4 ou Si(OH)4) contenue dans le granulat. Ce sont les ions hydroxydes (OH) responsables du haut pH en solution qui sont les principaux agents responsables de la réaction alcali-granulats, car il s'agit bien ici d'une réaction acide-base (échange de protons H+) entre l'acide silicique et les ions OH. Les anions hydroxydes hydrolysent donc en tout premier lieu le réseau de la silice amorphe et la dissolvent. Sans eux, la réaction de dissolution de la silice ne serait pas possible: il faut un haut pH (donc des conditions très basiques) pour dissoudre la silice ou le verre. Le rôle des cations alcalins (Na+ et K+) solubles et mobiles qui accompagnent les OH (électro-neutralité) est toutefois nettement moins bien compris: en effet, les ions Li+ ayant un très petit rayon ionique à l'état nu et étant donc très hydratés sont connus pour inhiber la réaction alcali-silice, mais ce mécanisme fait toujours l'objet de débats.

Etant hydratés, les cations alcalins contribuent probablement aussi à retenir l'eau dans le gel de silice soluble obtenu. Le silicate de sodium produit est donc très hygroscopique, tout comme le silica gel d'ailleurs souvent utilisé comme agent de dessication. Le silicate de sodium attire à lui les molécules d’eau pour lesquelles il présente une grande affinité et s’hydrate fortement suivant la réaction suivante:

Na2SiO3 · H2O + n H2O → Na2SiO3 · (n+1) H2O

La réaction d'hydratation du silicate de sodium s'accompagne également de gonflement et provoque une augmentation de volume importante. Le silicate de sodium gonfle donc au cours de son hydratation et commence par remplir la porosité libre au sein du granulat. Quand celle-ci est complétement remplie, le silicate de sodium continue à s'expanser et à migrer au sein du granulat en raison du gradient chimique (diffusion, loi de Fick) auquel vient s’ajouter son expulsion hydraulique (advection, loi de Darcy) suite à l’élévation de la pression interne au sein du granulat. La viscosité élevée du silicate de sodium hydraté entrave encore son transport au sein du granulat accroissant d’autant la pression hydraulique qui y règne. La matrice du granulat est alors mise en tension et l’effort de traction en résultant conduit finalement à la fissuration du granulat. Les granulats peuvent ainsi se fissurer de part en part.

Un autre phénomène contribue aussi à la fissuration des granulats: ceux-ci se recouvrent progressivement d’une pellicule imperméable de silicate de calcium hydraté (CaSiO3 · n H2O, également noté C-S-H en abrégé) qui empêche également le silicate de sodium hydraté de sortir du granulat. Cette pellicule se forme lentement suite à la réaction du silicate de sodium avec les ions calcium relâchés par les grains de Portlandite (Ca(OH)2) présents dans la pâte de ciment durcie. Il se produit alors un échange entre les ions calcium et sodium des deux réactifs suivi de la précipitation de C-S-H moins solubles suivant la réaction suivante:

Na2SiO3 · n H2O + Ca(OH)2 → CaSiO3 · n H2O + 2 NaOH

On notera également que cette réaction produit deux "molécules" d'hydroxyde de sodium (NaOH) soluble qui contribueront à leur tour à dissoudre la silice amorphe du granulat réactif. La boucle est bouclée et la réaction alcali silice continue à la façon d’un catalyseur (régénération permanente d’un des réactifs au sein du système). Elle ne s’arrêtera que faute de combattants quand toute la silice réactive aura été consommée ou que la portlandite aura complétement disparu. La principale réserve d’ions hydroxyles (OH) dans la pâte de ciment durcie se trouve stockée en phase solide dans la portlandite relativement soluble (de l’ordre de 1.5 g Ca(OH)2 /L de solution à pH = 12.5, mais cette valeur est plus faible à pH plus élevé par effet d’ions communs faisant régresser l’équilibre de dissolution de la portlandite)

Lorsque le silicate de calcium hydraté colmate presque toute la porosité à la surface du granulat en contact avec la pâte de ciment durcie, on observe alors en lame mince au microscope optique un rebord continu autour du granulat. Cette membrane semi-perméable de C-S-H laisse passer plus facilement les ions Na+ et OH entrant par diffusion dans le granulat sous l’effet du gradient chimique que le silicate de sodium hydraté sortant dont la viscosité entrave le transport. Cette membrane se comporte comme une sorte de “coquilleimperméable au silicate de sodium hydraté l’empêchant de migrer en dehors du granulat. L’augmentation de la pression hydraulique exercée par le gonflement du silicate de sodium confiné au sein du granulat conduit finalement à la fissuration de ce dernier[3].

Quand tout le gel N-S-H (N pour sodium, natrium) a été converti en C-S-H après consommation du calcium de la portlandite présente dans le système, la réaction alcali-silice totalement aboutie dans le béton s'apparente plus ou moins à la réaction pouzzolanique du ciment des romains:

SiO2 + Ca(OH)2 + n H2O → CaSiO3 · (n+1) H2O

En effet, dans la réaction pouzzolanique, le verre de silice d'origine volcanique (obsidienne, pierre ponce) réagit avec la chaux éteinte pour donner un liant hydraulique.

La réaction alcali-silice différe cependant de la réaction pouzzolanique par le fait qu'elle est constamment catalysée par la présence de NaOH et de KOH dans le béton. En cela, elle ressemble également à la réaction de la chaux sodée avec le CO2 de l'air. Le NaOH y joue également le rôle de catalyseur et sert à améliorer la vitesse et l'efficacité de la réaction de piégeage du CO2.

Un des moyens pour éviter, ou minimiser, la réaction alcali-silice en présence de granulats potentiellement réactifs est de veiller à maintenir la concentration en NaOH et KOH (les agents catalyseurs de la réaction) dans l'eau interstitielle aussi basse que possible. En général, les normes pour les ciments Portland (CEM I) à faible alcalinité (Low Alkalinity, LA) prescrivent moins de 0.6 % en poids de Na2O equivalent (par rapport au poids du ciment).

Réaction alcali-silicate[modifier | modifier le code]

La réaction alcali-silicate survient lorsque les agrégats du béton sont contaminés par la présence de minéraux argileux (argile, terre, …). L'argile peut parfois être présente comme impureté au sein même de roches calcaires. Souvent, ce qui est pris pour une réaction alcali-carbonate est en fait une réaction alcali-silicate. Cette réaction est une cousine de la réaction alcali-silice et donne lieu également à la formation de silicates de calcium hydratés (C-S-H). Ce type d'interactions est très étudié dans le cadre des interfaces argile/béton et des panaches alcalins se développant en milieu argileux pour le stockage géologique des déchets radioactifs.

Réaction alcali-carbonate[modifier | modifier le code]

La réaction alcali-carbonate est plutôt mal nommée et se rapporte en fait à la réaction alcali-magnésium. La présence de dolomie ou de magnésite dans les agrégats peut engendrer une réaction entre le carbonate de magnésium et la chaux qui donne lieu à la cristallisation de brucite, un hydroxyde de magnésium dont le gonflement différé peut endommager le béton.

Dans le cas de la réaction de la magnésite et de la portlandite, la réaction s'écrit comme suit :

MgCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + Mg(OH)2

Dans le cas de l'attaque de la dolomie par les hydroxydes alcalins solubles (NaOH, KOH) présents dans le béton, il s'agit plutôt de la réaction de dé-dolomitisation, donnée ici pour l'attaque par NaOH :

(Ca,Mg)(CO3)2 + 2 NaOH → CaCO3 + Mg(OH)2 + Na2CO3

Certains calcaires peuvent également contenir de la silice amorphe comme impureté cimentant les grains de calcite au sein de la roche. C'est le cas notamment de certains calcaires au Canada et en Belgique. Les calcaires carbonifères du Tournaisien (région du Tournaisis en Belgique et du nord de la France peuvent contenir jusqu'à 25 – 30 % en poids de silice amorphe. Cette silice provient des spicules des éponges, organismes animaux primitifs très abondants à l'époque du carbonifère. Ces calcaires également très riches en niveaux de silex (chert, calcédoine) sont donc très sensibles à la réaction alcali-silice, à ne pas confondre dans leur cas avec une réaction alcali-carbonate beaucoup moins fréquente et moins dommageable. L'usage de ces calcaires très riches en silice est actuellement totalement interdit comme granulats dans les bétons. Leur usage dans de nombreux ouvrages d'art dans les années 60 et 70 lors de la construction des autoroutes en Belgique y causent encore beaucoup de problèmes.

Références[modifier | modifier le code]

  1. P.E. Grattan-Belew et L. Mitchell, « Prévention de la détérioration du béton due à la réaction alcalis-granulats », Solution constructive, no 52,‎ (lire en ligne)
  2. Charpin L () Modèle micromécanique pour l'étude de l'anisotropie de la réaction alcali-silice ; Université Paris-Est <NNT: 2013PEST1103> <pastel-00873539> ; voir résumé page 7/194
  3. Vidéo sur la réaction alcali-silice montrant la fracturation complète d'un granulat.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens internes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot, La durabilité des bétons. Bases scientifiques pour la formulation des bétons durables dans leur environnement, Presses de l'école nationale des Ponts et Chaussées, Paris, 2008 (ISBN 978-2-85978-434-8)

Liens externes[modifier | modifier le code]