Une étude de faisabilité pour une meilleure utilisation dans le matériau béton de granulats " potentiellement réactifs " vis-à-vis de la réaction alcali-silice
Résumé
The use of alkali-reactive aggregates involves very stringent precautions for producers and building owners according to current guidelines. Hence the need to find safer ways. To achieve this, in this PhD, concrete mixtures with a low risk of expansion are developed by using "potentially reactive" siliceous limestone but may show a pessimum effect. The works have first allowed quantifying the reactivity of siliceous limestone aggregates but also flint aggregate through studies in model media. After integrating these results with those of expansion measures it appears that concretes made with "rich" free silica reactive (greater than 5%) fine and coarse aggregates show lower expansion than those with only the fine or coarse aggregate being reactive, highlighting the emergence of a pessimum effect. In contrast, in the case of "poor" reactive silica (less than 5%) materials, reduction of the expansion is no longer apparent. It was shown that through a process of neutralization which is not damageable for concrete, reactive siliceous phases are capable of fixing alkalis without being degraded through initial silanols, until a certain threshold. When the threshold is exceeded, alteration of siliceous phases allows concrete swelling. The increase in curing temperature from 38 to 60°C allowed the expansion reduction and the emergence of a pessimum effect for concretes containing "poor" reactive silica. This change is explained by a competition between a non-deleterious mechanism of neutralization of alkalis (favoured at 60°C) and the degradation of silica resulting in a high local concentration of alkalis (favoured at 38°C). The competition between these two mechanisms is due to a differential diffusion of alkalis inside the silica network. The results of this study contribute to improve knowledge of reaction mechanisms involved and to open the way to future development allowing to consider mixtures which will maintain the alkalis threshold in siliceous limestone aggregates and thereby obtain sustainable concrete.
L'emploi des granulats classés " potentiellement réactifs " vis-à-vis de la réaction alcali-silice implique de prendre des précautions très contraignantes pour les producteurs comme pour les maîtres d'ouvrages suivant les recommandations actuelles. D'où la nécessité de trouver des voies de valorisation plus judicieuses. La piste suivie dans cette thèse est la mise au point des formulations de béton présentant un risque faible d'expansion avec des granulats calcaires siliceux dits " potentiellement réactifs " mais qui peuvent présenter un effet pessimum. Les travaux réalisés ont d'abord permis de quantifier la réactivité de granulats calcaires siliceux mais aussi silex grâce à des études en milieu modèle. En couplant ces résultats avec ceux des mesures d'expansion linéiques, il apparaît que les bétons confectionnés avec un sable et des gravillons suffisamment " riches " en silice libre réactive (supérieure à 5%) gonflent moins que ceux dont seul le sable ou les gravillons sont réactifs, mettant ainsi en évidence l'apparition d'un effet pessimum. En revanche, dans le cas des matériaux " pauvres " en silice réactive (inférieure à 5%) la réduction de l'expansion ne s'observe plus. Il a été montré que, grâce à un processus de neutralisation non délétère pour le béton, les phases siliceuses réactives sont capables de fixer des alcalins sans être dégradées, au travers des silanols initiaux, jusqu'à un certain seuil. Au-delà, l'altération des phases siliceuses s'opère et entraine le gonflement des bétons. L'augmentation de la température de cure de 38 à 60°C a permis l'observation d'une diminution de 30 à 50% de l'expansion et l'apparition d'un effet pessimum pour les bétons à base de granulats " pauvres " en silice réactive pour les formulations présentant un sable et des gravillons réactifs par rapport à ceux dont seul le sable ou les gravillons sont réactifs. Ce changement s'expliquerait par une compétition entre un mécanisme non délétère de neutralisation des alcalins (favorisé à 60°C) et le processus de dégradation de la silice consécutive à une forte concentration locale des alcalins (favorisé à 38°C). La compétition entre ces deux mécanismes est due à un écart de diffusion des alcalins à l'intérieur du réseau siliceux. Les résultats de cette étude contribuent à l'amélioration des connaissances des mécanismes réactionnelles mis en jeu et à l'ouverture de futurs développements permettant de pouvoir envisager des formulations qui respecterons le seuil en alcalins dans les granulats calcaires siliceux et donc d'obtenir des bétons durables.
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