Les structures en béton qui ont été endommagées par AAR (réaction alcaline-granulat) présentent ces fissures typiques. La couleur sombre autour des bords des fissures est causée par des fuites de produits AAR. Crédit :Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux
Malheureusement, le béton ne dure pas éternellement. Les ravages du temps font également des ravages sur les structures en béton en Suisse. Non seulement les structures renforcées comme les ponts sont affectées, mais aussi des bâtiments en béton sans aucune armature, comme les murs de barrage. Une cause est appelée la réaction alcali-agrégat (AAR). Il peut affecter toutes les structures en béton à l'air libre.
Avec AAR, les ingrédients de base dans le béton sont en fait le problème :le ciment - le composant principal du béton - contient des métaux alcalins tels que le sodium et le potassium. L'humidité dans le béton réagit avec ces métaux alcalins pour former une solution alcaline. Les principaux composants du béton sont le sable et le gravier, qui à leur tour contiennent des silicates tels que le quartz ou le feldspath. L'eau alcaline réagit avec ces silicates et forme ce que l'on appelle un hydrate de silicate de calcium alcalin. Ce minéral accumule l'humidité dans sa structure, ce qui l'amène à se dilater et à fissurer progressivement le béton de l'intérieur.
La chose frappante ici :la même réaction chimique a lieu dans de nombreux morceaux de gravier à l'intérieur du béton; les petites pierres craquent une à une. La pression qui peut s'exercer sur tout un ouvrage du fait de cette micro-réaction est énorme :Un mur de barrage, par exemple, peut s'étendre de quelques décimètres. Cela peut causer des dommages aux points de connexion latéraux à la roche ou des déformations dans la zone de l'écluse. La réaction se fait progressivement, les premiers dommages ne devenant perceptibles dans les structures affectées qu'après dix à 15 ans. Cependant, le gonflement continuel du béton peut sérieusement réduire la durée de vie des structures.
En 2015, une équipe de scientifiques de l'Empa et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) a réussi à identifier la structure du cristal aqueux qui déclenche le gonflement du béton. Cette structure avait déjà fait l'objet de nombreuses spéculations.
Les fissures dans le béton causées par l'AAR se forment en minuscules fissures cristallines (photo du milieu) et sont immédiatement visibles à l'œil nu (photo de gauche). Un silicate de calcium alcalin hydraté, dont la structure a été clarifiée avec l'aide de l'Empa en 2016, est à l'origine des dégâts (photo de droite).
Cette découverte a inspiré un projet de recherche interdisciplinaire financé par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS). Outre l'Empa et le PSI, deux instituts de l'EPFL sont également impliqués. Les activités de recherche sont coordonnées par le chercheur de l'Empa Andreas Leemann. "Nous voulons étudier et comprendre l'AAR dans toutes ses dimensions, du niveau atomique et des échelles de longueur dans la gamme Angström à des structures entières à l'échelle du centimètre et du mètre, " explique Leemann.
Six projets couvrent toutes les dimensions
Six sous-projets ont été définis dans le projet SNSF Sinergia :le PSI utilise le rayonnement synchrotron pour étudier la structure des produits de réaction afin d'expliquer leurs sources. Les paramètres clés de déclenchement des silicates et la composition des produits de réaction formés au départ sont étudiés à l'EPFL; de plus, des simulations informatiques sont utilisées pour étudier l'impact du gonflement sur les structures.
Et à l'Empa, la formation des fissures dans le béton est étudiée à une résolution spatiale et temporelle en utilisant la tomographie par ordinateur au centre de radiographie de l'Empa, et les cristaux aqueux sont synthétisés en laboratoire. Cela permet aux chercheurs d'obtenir de plus grandes quantités de la substance généralement trouvée dans des fissures de taille nanométrique à micrométrique dans des morceaux de gravier. Ce n'est qu'avec de plus grandes quantités de la substance en question que les propriétés physiques peuvent être déterminées avec précision, toutefois. Non seulement les résultats devraient aider à mieux comprendre l'AAR, ils devraient également révéler des moyens d'éviter les dommages - et donc les coûts. "Nous sommes déjà en train de décoder le phénomène, qui n'a été compris que par fragments jusqu'à présent, " dit Leemann. Le projet de quatre ans a démarré en mai 2017. Les premiers résultats sont déjà connus. La prochaine étape consistera à lier plus étroitement les groupes individuels et à s'appuyer sur les résultats des partenaires. En fin de compte, cela devrait donner une image plus complète de l'AAR qui permet de mieux évaluer l'état et le risque pour les ouvrages en béton et de surveiller plus scientifiquement le devenir des bâtiments touchés.
