Réaction de gonflement interne des ouvrages en béton
Les Réactions de Gonflement Interne (Réaction Sulfatique Interne [RSI] et Réaction Alcali-Granulat [RAG]) sont deux pathologies du béton pouvant conduire à son expansion, à sa fissuration et à la dégradation de ses performances mécaniques. Ainsi, les gestionnaires d’ouvrages atteints sont confrontés à des problèmes d’intégrité structurelle et de fonctionnalités de service. Ils doivent donc disposer d’outils de gestion permettant le diagnostic de l’état mécanique des structures mais également la prédiction de son évolution.
La mise au point de ces outils nécessite une compréhension détaillée des phénomènes à l’échelle du matériau et de la structure sur laquelle le laboratoire EMGCU et l’Université Gustave Eiffel travaillent depuis plus d’une vingtaine d’années. De nombreux résultats expérimentaux sont ainsi disponibles dans la littérature et contribuent à l’amélioration de la connaissance des mécanismes d’expansion, des paramètres les influençant et de leurs effets structurels (notamment (Kchakech, 2015; Larive, 1998; Martin, 2010; Multon, 2004)). Ces données sont par ailleurs destinées au benchmarking de modèles numériques permettant l’évaluation et la prédiction de l’état des structures atteintes.
Pour mener à bien ces recherches, le laboratoire EMGCU a développé des savoir-faire et des moyens expérimentaux spécifiques à l’étude des réactions de gonflement interne :
- Dispositif de traitement thermique de corps d’épreuve de grande taille
Développé pour simuler les échauffements au cœur de pièces massives de béton afin d’étudier les risques de RSI (Martin and Toutlemonde, 2013), cet équipement permet d’appliquer des échauffements (jusqu’à 85°C) pour des corps d’épreuve jusqu’à 3 mètres de longueur. Ainsi, à l’aide des moyens de fabrication de béton dont le laboratoire dispose, les corps d’épreuve de composition et de géométrie sur-mesure subissent une cure thermique après coulage permettant de déclencher les phénomènes de RSI.
- Site de vieillissement des matériaux en atmosphère naturelle
Depuis 2011, le laboratoire EMGCU étudie le lien existant entre le vieillissement in situ des matériaux atteints de RGI (processus se déroulant sur plusieurs d’années pour des structures exposées aux conditions climatiques) et le comportement de bétons équivalents soumis à des essais accélérés en laboratoire (d’une durée de quelques mois, en conditions contrôlées et souvent constantes). L’objectif est d’évaluer la représentativité du vieillissement accéléré en laboratoire par rapport aux phénomènes observés sur ouvrages.
Pour ce faire, un site de vieillissement naturel de 300 m2 environ dédié à la durabilité des bétons a été développé. Des campagnes d’essai sont en cours afin d’étudier le développement de RSI et de RAG (couplées ou non) en atmosphère naturelle. Le couplage de ces phénomènes avec les dégradations liées à la corrosion des armatures est également étudié.
- Laboratoires contrôlés en température et en humidité
L’atmosphère de ces laboratoires est régulée en température (de 20 à 40°C) et en humidité (de 30 à 100 % HR) afin de réaliser des essais de vieillissement accéléré de corps d’épreuve atteints de réactions de gonflement interne. Les recherches menées se font aussi bien à l’échelle du matériau à partir d’essais sur éprouvettes qu’à l’échelle de la structure, certains laboratoires de vieillissement étant équipés de dispositifs de manutention adaptés à des corps d’épreuve de plusieurs mètres. Le laboratoire EMGCU dispose de nombreux savoir-faire expérimentaux dans le domaine des RGI, allant de la réalisation d’essais d’expansion conventionnels jusqu’au développement de techniques de monitoring automatisé (dimensions, contraintes, température, humidité, etc.).
- Modélisation des structures atteintes de réactions de gonflement interne
Le laboratoire EMGCU de l’Université Gustave Eiffel développe depuis le début des années 2000 des modélisations originales portant sur les effets structurels des réactions de gonflement interne (principalement implantées dans le code CESAR_LCPC) (Baghdadi, 2008; Li et al., 2004; Malbois et al., 2019; Martin et al., 2013; Seignol et al., 2009; Ulm et al., 2000). Leur objectif est de prédire pour plusieurs dizaines d’années les effets des pathologies de gonflement interne, en prenant en compte les couplages entre expansion et humidité, température, effet des contraintes (anisotropie, fluage), propriétés de transfert, etc.
Références
Baghdadi, N., 2008. Modélisation du couplage chimico-mécanique d’un béton atteint d’une réaction sulfatique interne (PhD dissertation). Ecole Nationale des Ponts et Chaussées.
Kchakech, B., 2015. Étude de l’influence de l’échauffement subi par un béton sur le risque d’expansions associées à la Réaction Sulfatique Interne (PhD dissertation). Université Paris Est.
Larive, C., 1998. Apports combinés de l’expérimentation et de la modélisation à la compréhension de l’alcali-réaction et de ses effets mécaniques, Etudes et recherches des Laboratoires des Ponts et Chaussées. Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - LCPC.
Li, K., Coussy, O., Larive, C., 2004. Modélisation chimico-mécanique du comportement des bétons affectés par la réaction d’alcali-silice : Expertise numérique des ouvrages d’art dégradés, Etudes et recherches des Laboratoires des Ponts et Chaussées. Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - LCPC.
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Martin, R.-P., 2010. Analyse sur structures modèles des effets mécaniques de la réaction sulfatique interne du béton (PhD dissertation). Université Paris Est.
Martin, R.-P., Omikrine Metalssi, O., Toutlemonde, F., 2013. Importance of considering the coupling between transfer properties, alkali leaching and expansion in the modelling of concrete beams affected by internal swelling reactions. Constr. Build. Mater. 49, 23–30. doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.08.008
Martin, R.-P., Toutlemonde, F., 2013. Theoretical and experimental validation of a simple method to reproduce representative DEF-prone conditions in laboratory. Mater. Struct. 46, 1245–1255. doi.org/10.1617/s11527-012-9967-2
Multon, S., 2004. Evaluation expérimentale et théorique des effets mécaniques de l’alcali-réaction sur des structures modèles, Etudes et recherches des Laboratoires des Ponts et Chaussées. Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - LCPC.
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(Baghdadi, 2008; Li et al., 2004; Malbois et al., 2019; Martin et al., 2013; Nedjar et al. 2021, Seignol et al., 2009; Ulm et al., 2000)
Nedjar, B., Rospars, C., Martin, R.-P., Toutlemonde, F., 2021. Benchmark Study Results: IFSTTAR, in: Saouma, V.E. (Ed.), Diagnosis & Prognosis of AAR Affected Structures: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 259-ISR. Springer International Publishing, Cham, pp. 427–437. https://doi.org/10.1007/978-3-030-44014-5_23
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