Contribution à l'étude des mécanismes des réactions alcalis-granulats

Abstract

La réaction alcalis-granulats (RAG) est un processus de détériorations chimique et physique du béton. Elle se produit partout dans Ie monde. La réaction est connue et étudiée depuis 60 ans mais à cause de la complexité des mécanismes de réaction - dissolution des granulats, formation d'un gel de silice et gonflement/fissuration du béton - encore de nombreuses questions a son sujet demeurent sans réponse définitive. Dans tout problème complexe actuel, la compréhension des mécanismes de base reste encore la meilleure approche pour solutionner Ie problème. En conséquence, la présente thèse porte sur l'étude des mécanismes impliques dans la réaction alcalis-granulats. Elle est divisée en deux parties, soit une partie théorique et une partie expérimentale. La partie théorique comprend les chapitres 2 à 5 et la partie expérimentale est présentée aux chapitres 6 a 10. Dans la partie théorique, les points suivants sont examines: une description des propriétés des granulats est donnée au niveau de la minéralogie des phases siliceuses réactives; principalement leurs caractéristiques microscopiques au niveau de la réactivité des groupes silanols de surface et de leur distribution en fonction de la cristallinité des phases; une étude de modèle de dissolution de la silice au cours de la RAG dans Ie système colloïdal du système quartenaire Na20-CaO-Si02-H20 de la solution interstitielle d'un béton. En particulier, il est examine Ie rôle catalyseur de l'ion calcium. Les mécanismes de formation du gel de silice par percolation sont aussi étudiés; une étude des caractéristiques de transport de la solution colloïdale a l'intérieur des granulats durant l'attaque de la réaction alcalis-granulats par les ions hydroxyles est faite a 1'aide de modèles de microstructure des granulats et de la pate de ciment hydrate; une cinétique d'expansion est aussi proposée. Elle est basée sur un modèle sigmoïde d'Avrami ainsi que sur un modèle de Delmon par germination; [...]

Abstract: The alkali-aggregate reaction (AAR) is a chemical and physical process of deterioration affecting the concrete. In the theoretical part, the following points are examined: (1) a description of aggregate properties is given; mainly about their degree of reactivity which depends of the type of silica mineral and the silanol distribution at the silica surface; (2) a study of a model of silica dissolution in the concrete pore solution of the colloidal quaternary system Na[subscript 2]O-CaO-SiO[subscript 2]-H[subscript 2]O. In particular, it is examined the possible role of the calcium ion as a catalytic agent; (3) a characterization of the concrete pore solution flow inside the aggregate. It is based on a model of the microstructure of the aggregate and the hydrated cement paste; (4) a kinetic model of the AAR concrete expansion is also proposed. It is based on a sigmoid growth curve (Avrami model) as well as on a model of nucleation by Delmon; (5) a suggestion is made concerning the utilization of a function to model the progressive mechanical damage of the concrete during the AAR; (6) a review of the finite element procedures used to model a concrete structure affected by AAR. The experimental program includes: (1) a mechanical property assessment of the AAR affected concrete of the Beauharnois dam and the identification of the degree of advancement of the reaction; (2) a characterization of the mechanical properties of blocks of concrete taken from the Beauharnois dam. The strength of the bond between the steel and the concrete is also assessed; (3) a laboratory study based on compressive triaxial tests of the progressive mechanical deterioration of concrete made with reactive and non reactive aggregates; (4) a study of the effect of stresses to prevent the expansion of AAR concrete blocks. The study shows two main effects: (1) the steel reinforcement considerably reduces the overall AAR expansion; this is normal, but it also homogenizes the deformations and (2) an external load of 3,3 MPa is not sufficient to stop the AAR expansions; (5) an assessment of in situ deformations of hydraulic concrete structures affected by AAR was made with concrete inclusion stress cells instrumented with vibrating wire extensometers (CIUS of the Université de Sherbrooke); (6) a measure of the potential expansion of a concrete structure is based on laboratory tests performed on core specimens, from three dams, and on large concrete blocks (1 m[superscript 3]) made with the same aggregates than the dams."--Résumé abrégé par UMI.