A quoi sont dues le expansions et les fissures du béton?

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Aspect d’un ouvrage de béton souffrant de RAG. Le bord des fissures est rendu foncé par les produits de réaction qui s’en échappent.

Lorsque les ponts, les murs de soutènement et les fondations de béton se fissurent, la réaction alcalis-granulats, alias RAG, en est souvent la cause. Elle provoque un expansion du béton qui nécessite une remise en état, voire la reconstruction de l’ouvrage. Cette «maladie du béton» est l’objet d’un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS) et coordonné par l’Empa.

Le béton n’est malheureusement pas éternel. Avec le temps, il perd de ses qualités. On l’observe dans les ouvrages en béton armé, comme les ponts, mais aussi en béton non armé, comme les barrages. Fort souvent, c’est la RAG (réaction alcalis-granulats) qui est en cause. Elle concerne tous les travaux de béton à l’air libre. Le problème provient des ingrédients mêmes du béton: le ciment - «colle» du béton - contient des métaux alcalins tels le sodium et le potassium. A leur contact, l’humidité du béton se transforme en solution alcaline. Les principaux composants du béton sont le sable et le gravier qui comprennent des silicates tels que le quartz ou le feldspath. L’eau alcaline réagit avec les silicates pour former dusilicate dàlcalin et calcium hydraté. Ce minéral capte un nombre croissant de molécules d’eau, gonfle et, avec le temps, fait éclater le béton de l’intérieur.

Fait notable: cette réaction se produit également à l’intérieur de nombreux grains du gravier présent dans le béton, lesquels éclatent. La pression exercée par ces micro-réactions sur l’ensemble d’un ouvrage peut être considérable. Certains barrages peuvent se dilater d’un décimètre. Il peut en résulter des dommages aux points de raccord latéraux avec la roche ou des déformations dans les zones d’éclusage. La réaction prend son temps, les premiers dommages ne se font remarquer que dix à quinze ans après le coulage du béton. L’expansioncontinu du béton peut fortement réduire la durée de vie des ouvrages.

En 2015, une équipe de scientifiques de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et de l’Empa a finalement identifié la structure du cristal hydraté provoquant le retrait du béton. Elle avait déjà fait l’objet de nombreuses spéculations.

Cette découverte a été le facteur déclenchant d’un projet de recherche interdisciplinaire financé par le Fonds national (FNS). Outre l’Empa et le PSI, deux instituts de l’EPFL y participent. Les travaux sont coordonnés par un chercheur de l’Empa, Andreas Leemann: «Nous entendons étudier et comprendre la RAG à tous les niveaux, de l’échelle atomique de l’ordre de l’angström, à celui de l’ouvrage, soit du centimètre et du mètre.»

Le projet FNS-Sinergia a été découpé en six sous-projets: Le PSI étudie à l’aide de son faisceau synchrotron la structure des produits de réaction afin d’en expliquer l’origine; l’EPFL se penche sur les conditions générales entraînant la dissolution des silicates et sur la composition des premiers produits de réaction; en outre, l’EPFL simulera numériquement les effets d’expansion sur les ouvrages; le Centre d’analyse par rayons X de l’Empa scrutera par tomographie la formation spatiale et temporelle des fissures du béton; l’Empa va également synthétiser les cristaux hydratés en laboratoire, ce qui permettra aux chercheurs de disposer librement de cette matière qui se dissimule dans les micro-fissures (du nano au micromètre) des grains de gravier. Une nécessité pour en caractériser les propriétés. Les connaissances ainsi acquises permettront non seulement de mieux comprendre la RAG, mais également d’identifier les moyens d’en prévenir les méfaits.«Nous progressons dans le décryptage de ce phénomène mal compris», se réjouit Leemann. Le projet lancé en mai 2017 doit durer quatre ans. Les premiers résultats sont déjà là. La prochaine étape verra le resserrement des liens entre les différents groupes de travail et la cross-fertilisation de leurs résultats. Il devrait en ressortir un portrait en pied de la RAG qui permettra de mieux évaluer les risques auxquels sont exposés les ouvrages qui en sont victimes et de prendre les décisions qui s’imposent de manière scientifiquement fondée.


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