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L’ALCALI-REACTION DANS LES OUVRAGES EN BETON

Colloque Le Pont - 9 et 10 octobre 2012

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I N T R O D U C T I O N

1. Années 1930 : premières observations de réactions chimiques pathologiques

dans les bétons entre les ciments et certains granulats aux Etats-Unis

2. A partir des années 1940, la nature des réactifs en cause dans cette

pathologie est précisée, et la dégradation du béton par l’alcali-réaction est

identifiée dans d’autres pays à travers le monde (Australie, NZ, Afrique du

Sud, Chine, Canada …)

3. En Europe, l’alcali-réaction a été identifiée dès le début des années 1950 au

Danemark, puis Allemagne dans les années 1960

4. En France, ce n’est qu’à la fin des années 1970 que la présence

d’alcali-réaction est attestée dans quelques barrages, puis dans des ponts

ensuite dans les années 1980

5. En 1994, Publication des « Recommandations pour la prévention des

désordres dus à l’alcali-réaction » (LCPC) qui est actuellement le texte de

référence en France


L ’ A L C A L I - R E A C T I O N

Réaction, en présence d’eau, entre des phases minérales

présentes dans certains granulats et les alcalins contenus

dans la solution interstitielle du béton : formation de

produits expansifs

Trois types d’alcali-réaction :

la réaction alcali-silice

la réaction alcali-silicate

la réaction alcali-carbonate



1/ Présence de granulats potentiellement réactifs (PR)

contenant une teneur suffisante en phases siliceuses

réactives (opale, calcédoine, cristobalite, verres siliceux,

µquartz de recristallisation, quartz déformés ou fissurés)

2/ Concentration suffisante en alcalins (Na,K) dans la solution

interstitielle du béton (> 3 kg/m3 de Na2Oéquivalent).

Ces alcalins proviennent essentiellement du ciment, des

granulats et des additions minérales

3/ une humidité élevée (HR > 80-85 %)

3 conditions essentielles doivent être réunies



Les granulats

Granulats Non Réactifs (NR)

Granulats Potentiellement Réactifs (PR)

roches magmatiques : granites, basaltes, tufs …

roches métamorphiques : gneiss, micaschistes, quartzite …

roches sédimentaires : grès, calcaires, accidents siliceux …

Granulats Potentiellement Réactifs à effet de Pessimum (PRP)

Granulats particuliers qui peuvent être à l’origine de désordres dans

les ouvrages s’ils sont utilisés dans une plage de valeurs pessimales

(pas de désordres s’ils sont dosés en forte proportion)



Silex (PR ou PRP) Grès (PR)

Calcaire (PR) Gneiss (PR)



Gels de composition silico-calco-alcaline pouvant évoluer vers

des faciès plus cristallisés en fonction de leur maturité

Produits formés par la réaction




Granulat

siliceux

Pâte de

ciment

Gel

d’alcali-

réaction


C O N S E Q U E N C E S D E L ’ A L C A L I - R E A C T I O N

Conséquence au niveau du béton

diminution significative de la

résistance à la traction et

du module d’élasticité,

perte plus modérée de la

résistance à la compression

Conséquence au niveau de l’ouvrage

les contraintes internes liées à l’alcali-réaction viennent se

superposer aux contraintes existantes dans l’ouvrage,

même si les bétons armés et précontraints résistent mieux au

gonflement, ces contraintes peuvent entraîner des surtensions

dans les armatures passives et les câbles de précontrainte

expansion de la structure et fissuration lorsque l’état de

contraintes est supérieur à la résistance à la traction du béton

Institution of Structural Engineers (1992)


M A N I F E S T A T I O N D E S D E S O R D R E S S U R L E S O U V R A G E S

Les dégradations observées sur les ouvrages sont le résultat moyen

des effets localisés de la réaction :

fissuration en réseau et faïençage

fissuration orientée (en fonction du champs de contrainte au

sein des structures en BA ou BP)

mouvements et déformations :

• barrages : élévation de la crête, blocage des vannes ou

des turbines

• ponts : fermeture des joints de dilatation, flèche

résiduelle importante, mouvements différentiels

de parties d’ouvrage



Barrage du Goeland St Pierre et Miquelon

Mur en béton cyclopéen de la fin

du XIXème siècle

En 1970, confortement par un

voile vertical de 40 cm, encastré

de 2 m dans l’encaissant

Diagnostic alcali-réaction (2001)



Barrage du Goeland St Pierre et Miquelon

Reconstruit en 2007-2008



Poutre masque en béton

précontraint (écluse)

Fissuration orientée



Evacuateur de crue

Source IFSTTAR



Barrage du Chambon



Réservoir d’eau du Vallon

d’Ol à Marseille



Piles de pont



Culée de pont



Fissuration orientée suivant les efforts de

diffusion de la précontrainte (poutre de VIPP)

Source IFSTTAR



Flèche importante sur une travée d’un pont

dalle en béton armé (en cours de démolition)

Source IFSTTAR


D I A G N O S T I C

Inspection de l’ouvrage dans le cadre des règles de gestion

commune du patrimoine

reconnaissance de signes pouvant être indicatifs d’un

phénomène d’alcali-réaction (faïençage, etc …)

mais …

… les signes visibles peuvent être similaires à ceux observés

pour d’autres phénomènes pathologiques (RSI, gel/dégel,

retrait)


D I A G N O S T I C

Inspection de l’ouvrage

Réaction sulfatique interne (RSI)


D I A G N O S T I C

Inspection de l’ouvrage

Gel/dégel Retrait


D I A G N O S T I C

Prélèvement d’échantillons dans l’ouvrage pour essais en laboratoire

méthode LPC n° 36 (recherche de gels

par fluorescence des ions uranyles)

examens au microscope électronique à

balayage,

essais complémentaires : examen

pétrographique, dosage des alcalins dans

le béton (méthode GranDuBé), mesure de

l’expansion potentielle résiduelle

(méthode LPC n° 44)

Mise en évidence de

l’alcali-réaction dans les

bétons

Qualification et estimation

du potentiel de la réaction


D I A G N O S T I C

Méthode LPC n° 36

Examen

complémentaire au

microscope

électronique à balayage


D I A G N O S T I C

Mesure de l’expansion potentielle résiduelle (LPC n° 44)

Mesure du gonflement libre d’éprouvettes extraites de l’ouvrage et

conservées à 38°C et 100 % HR pendant 1 an

Er (µm/m/an)

Qualification de l’expansion résiduelle

< 100 µm/m/an Négligeable

100 à 500 µm/m/an Modérée

> 500 µm/m/an Importante


S U R V E I L L A N C E E T S U I V I D E S O U V R A G E S

Aide à la gestion des ouvrages atteints de réactions de gonflement

interne (LCPC, novembre 2003)

Définition d’un niveau de priorité

(1 = zone vitale de l’ouvrage atteinte ou

2 = pas de zone vitale atteinte)

Définition d’une méthodologie de suivi

pendant un an (fissuration, déformation,

T°C, humidité)

Diagnostic approfondi et pronostic

d’évolution de la réaction

Suites à donner à l’issue de la période

de 1 an

Logigramme décisionnel



Caractérisation de la fissuration (méthode LPC n° 47)

relevé des ouvertures de fissures interceptées le long de 4 axes

divisés en segments de 10 cm (sur une surface de 1 m2)

calcul de l’ouverture moyenne par fissure et de l’ouverture moyenne

par mètre pour chaque axe

IF (indice de fissuration) = moyenne globale sur les 4 axes (mm/m)

IF (mm/m) Fissuration

0 à 0,5 Négligeable

0,5 à 1 Faible

1 à 2 Modérée

2 à 5 Forte

5 à 10 Très forte

> 10 Considérable



Suivi de fissures caractéristiques

mise en place de fissuromètres pour suivi de l’ouverture (Df)

mise en place, en parallèle de capteurs de température ambiante et

dans le béton (une variation de 1 °C engendre une variation de

0,01 mm/m) et éventuellement de capteurs d’humidité



Suivi de la déformation de l’ouvrage par distancemétrie

évaluer les déformations globales de l’ouvrage dans le temps

valeurs de déformation par distancemétrie (Dm)

Moyen de mesure Base

(mini-maxi) Course

Résolution absolue théorique

Résolution relative sur base maxi

Distancemétrie par fil

Invar 1 – 20 m 100 mm

0,1 mm

5.10-6

Distancemétrie

infrarouge 3 – 100 m

Pleine

échelle

0,1 mm

1.10-6

Extensomètre LCPC 400 mm 4 mm 0,001 mm

2,5.10-6

Pied à coulisse à

grande capacité 500 – 1500 mm

Pleine

échelle

0,01 mm

20.10-6

Autre moyens envisageables à condition que la précision obtenue soit au

minimum de 0,05 mm/m



Exemple d’instrumentation d’une pile de pont

Distancemètres

Fissuromètres

Sondes T°C et H



Programmation des mesures pendant la première année de suivi

Critère Fréquence des mesures

IF0 ≥ 1 mm/m

et/ou

présence de fissure d’ouverture > 0,5 mm

Mesures de IF et Dm à

3,6, 9 et 12 mois

IF0 < 1 mm/m

et

absence de fissure d’ouverture > 0,5 mm

Mesures de IF et Dm à

12 mois



Conclusions à l’issue de la période de 1 an

Evolution peu importante

DIF ou DDm < 0,5 mm/m/an

et Df < 0,2 mm/an

IF0 < 1 mm/m

Ouvrage ayant été affecté par une

légère alcali-réaction actuellement

arrêtée ou très ralentie

IF0 ≥ 1 mm/m

Ouvrage ayant été affecté par une

alcali-réaction sévère actuellement

arrêtée

Evolution importante

DIF ou DDm ≥ 0,5 mm/m/an

et/ou Df ≥ 0,2 mm/an

Gonflement

potentiel résiduel

faible ou nul

Ouvrage affecté par une

alcali-réaction sévère et évolutive

sans potentiel d’expansion

important

Gonflement

potentiel résiduel

important


alcali-réaction sévère et évolutive

avec un potentiel d’expansion

important



Entretien

général

Fréquence

de suivi

Vérification

sécurité

Traitement

particulier/réparations

Ouvrage ayant été affecté

par une légère alcali-

réaction actuellement

arrêtée ou très ralentie

Limitation

des venues

d’eau

3 ans - -

Ouvrage ayant été affecté

par une

alcali-réaction sévère

actuellement arrêtée

3 ans

Evaluation de la

capacité portante

actuelle

Traitement des fissures et

application d’un

revêtement de protection

(après vérification de la

capacité portante)


alcali-réaction sévère et

évolutive sans potentiel

d’expansion important

3 mois à

1 an

Evaluation de la

capacité portante

actuelle

Protection générale vis-à-

vis de la durabilité


alcali-réaction sévère et

évolutive avec un

potentiel d’expansion

important

3 mois à

1 an

Calcul spécifique

pour capacité

portante à long

terme incluant les

effets du

gonflement

Protection générale vis-à-

vis de l’évolution de la

réaction et renforcement

(précontrainte, confinement

du gonflement, composite)

Suites à donner à l’issue de la période de 1 an


R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T S P O S S I B L E S

Pont de Terenez (Finistère)

Pont suspendu reconstruit en 1951-1952 sur les fondations d’un pont de

1925 détruit en 1944 pendant la seconde guerre mondiale

Pont de 1925 Source www.antreizh.fr

Pont de 1952 Source www.antreizh.fr


R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T S P O S S I B L E S


Source IFSTTAR

Phénomène d’alcali-

réaction diagnostiqué dans

les années 1980

Mise en place d’un suivi

spécifique à partir de 1992

assorti de différents travaux

(injection des fissures,

renforcement par

composite)


R E P A R A T I O N S O U T R A I T E M E N T P O S S I B L E S


Construction d’un nouveau pont à haubans mis en service en 2011

L’ancien pont, qui n’est plus en service, sera démoli


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Colloque Le Pont – 9 et 10 octobre 2012

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