Causes et préventions des altérations du béton : Réaction alcali-silice

9 Octobre 2019
 

Introduction

On désigne par Réaction Alcali-Silice (RAS, parfois aussi appelé RAG pour Réaction Alcali-Granulats) la réaction entre la silice réactive contenue dans certains granulats et les alcalis de la solution interstitielle des pores du béton. Les conditions requises pour cette réaction sont la combinaison d’un granulat potentiellement réactif aux alcalis, une teneur en alcalis suffisamment élevée et une humidité suffisante dans le béton (fig 4.9.1).

Granulats réactifs
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 alcali-réactives pour lesquelles l’étendue des dégâts et la vitesse de développement de la réaction varient.

Alcalis
Les alcalis (sodium et potassium) de la solution interstitielle des pores du béton proviennent principalement du ciment et des additions.De manière simplifiée, la teneur en alcalis est exprimée en Na2 O-équivalent (par la formule Na2 O éq = Na2 O + 0,658.K2 O). Les alcalis participant à la réaction sont appelés alcalis actifs.

Humidité
Le développement de la RAS 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 RAS.

Les infiltrations d’eau dans le béton, accentuées par des fissures induites par le retrait, le gel ou la corrosion favorisent le développement de la RAS dans le béton.

Diagramme des conditions requises pour apparition de la RAS


Typologie apparente

En général, on observe sur l’ouvrage des fissures en réseau caractéristique, accompagnées d’exsudation de gel (voir page suivante) de couleur variable (gris sombre, jaune-brûnatre). Une expertise particulière est toutefois nécessaire pour confirmer la présence de la RAS ou pour lier une pathologie visible à cette réaction.

La RAS 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 4.9.2).

La RAS produit une distribution hétérogène des désordres dans l’élément de construction. Outre les pertes de résistances mécaniques, il résulte un risque accru de dégâts dus au gel ou à la corrosion. L’aptitude au service peut être affectée, si des déformations entravent le fonctionnement.

Ouvrage atteint de réaction alcali-silice


Causes 

La vitesse avec laquelle un dégât de RAS 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 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 4.9.3).

Dépot de gel dans les fissures et un pore d'air d'un béton dégradé (photo : lumière UV)


Le gel peut absorber de grandes quantités d’eau, produisant ainsi une pression d’expansion. Dès que celleci 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 4.9.4).

Fissuration typique due à la RAS du granulat et de la pâte de ciment (photo : lumière UV)

 

Mesures préventives

Les normes béton et plus particulièrement l’annexe I de la norme NBN B15-001 reprennent les mesures à appliquer pour prévenir le risque d’apparition de la RAS. Au moins une parmi les quatre mesures suivantes doit être appliquée :

  • Utiliser des granulats non-réactifs pour l’ensemble du squelette granulaire.
  • Utiliser un ciment LA (Low Alkali) au sens de la norme NBN B 12-109.
  • Faire le calcul du bilan en alcalis de la formule béton en se basant sur des valeurs maximales (statistique ou absolu) de tous les composants du béton. La teneur maximale en Na2 O-équivalent (kg/m3 ) admissible dépend du type de ciment utilisé (tab 4.9.1).Des tableaux similaires se trouvent dans la norme pour des combinaisons de ciment-addition ou des mélanges de ciment.
  • Choisir une composition de béton satisfaisant à un essai de gonflement.


Empêcher les apports d’eau extérieurs par des mesures de conception appropriées (formes d’ouvrage facilitant l’évacuation des eaux, étanchéité fiable, contrôlable et entretenue,...) est une mesure très efficace également. Sa longévité dans le temps doit cependant être assurée, ce qui peut être parfois difficile à garantir.


Choix du ciment
Comme démontré dans le tableau 4.9.1, l’utilisation des ciments au laitier s’avère une mesure de prévention intéressante. Les réactions d'hydratation de ces ciments sont bénéfiques, car elles fixent les alcalins.

Valeurs limites pour le bilan des alcalins