| Titre : | Contribution à l’étude de la réaction alcali-granulaire par modélisation numérique et expérimental du phénomène |
| Auteurs : | Mohamed TABET, Auteur ; Abdelhamid Guettala, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Khider, 2017 |
| Note générale : |
MOTS-CLES :
réaction alcali granulaire, RAG, gel de silice formé, analyse pétrographique, expansion, alcalinité, modélisation mésoscopique, mécanisme réactionnel. |
| Langues: | Français |
| Résumé : |
RESUME :
La réaction alcali granulaire est de plus en plus fréquente dans le diagnostiques des structures endommagées. Bien que la réaction soit connue depuis un certain temps, il est difficile d’avoir une image claire sur les mécanismes du phénomène à échelle granulaire (mésoscopique) sur les structures affectées. Cette thèse vise à étudier le rapport entre l’avancement de la réaction et les effets générer de la réaction sur béton afin de mieux étudier l’effet de la RAG sur les structures, et y avoir une compréhension additionnelle. La base du programme de notre mémoire était ainsi de caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques du béton affecté par une réaction alcali granulaire. Les caractéristiques microstructurales de quelques granulats ont été étudiées et mesurées en utilisant des techniques microscopiques. Des échantillons de barres de mortier et de prismes béton miniature ont été confectionnés avec ces granulats et soumis à la réaction alcali granulaire. L’analyse des images microscopiques obtenues à partir des échantillons polis a été utilisée pour comprendre le mécanisme et le degré de réaction. L’approche multidisciplinaire a été faite pour la caractérisation microstructurale et essai accélérer pour trouver une combinaison des techniques qui peuvent être employées pour évaluer la réaction. La modéliser par une approche mésoscopique en prenant en compte l’effet des taille agrégats réactifs, la teneur en alcalin, ainsi que la fraction des tailles de particule a été faite. Une clarification a été examinée au microscope en ce qui concerne le mécanisme de la réaction. Une modélisation de la cinétique de la réaction a été prise en compte pour voir les mécanismes de la réaction sur la base d'une caractérisation chimique. Les résultats montrent une relation prometteuse entre la réactivité observée et les expansions dans les prismes de béton et les barres de mortiers. L’approche de modélisation mésoscopique présentée a pu reproduire les résultats de laboratoire. ABSTRACT : The alkali aggregate reaction is more frequent in the diagnostic of damaged structures. Although the reaction has been known for some time, it is difficult to have a clear picture of the mechanisms of the phenomenon in granular scale (mesoscopic) in the reaction of the affected structures. This thesis aims to study the relationship between the progress of the reaction and the effects that generate the reaction on concrete, to better study the effect of the AAR on structures, and have an additional understanding. The base of our thesis and the program was to characterize the microstructure and mechanical properties of concrete affected by alkali aggregate reaction. The microstructural characteristics of some aggregates were studied and measured using microscopic techniques;- mortar bars samples and miniature concrete prisms were made with these aggregates and subjected to alkali aggregate reaction. The analysis of microscopic images obtained from samples was used to understand the mechanism and the degree of reaction. The multidisciplinary approach was used with the microstructural characterization and accelerated test to find a combination of techniques that can be used to assess the reaction. The mesoscopic modeling approach adopted in the thesis take into account the effect of size reactive aggregates, the alkali content and the fraction of particle sizes. Kinetics modeling was done to address the mechanisms of the reaction on the basis of a chemical characterization. The results show a promising relationship between the observed response and the expansions in the concrete and mortar prisms bars. A clarification has been discussed using microscope image processing regarding the mechanism of the reaction. The mesoscopic modeling approach presented was able to reproduce the results of laboratory. |
| Sommaire : |
Sommaire
I-INTRODUCTION GENERAL ........................................................................................................................... I I-1 CADRE D’ETUDE ........................................................................................................................ I I-2 METHODOLOGIE DE LA RECHERCHE ................................................................................................................... II I-3 OBJECTIVES DE LA THESE ............................................................................................................................... IV I-4 TRACE DE NOTRE MEMOIRE ............................................................................................................................ VI PARTIE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE CHAPITRE 1 : MECANISMES ET MODELISATION NUMERIQUE DE LA REACTION ALCALI GRANULAIRE I-INTRODUCTION GENERAL ................................................................................................................................... 1 I-1-Qu’est-ce que la Réaction Alcali Granulaire RAG ? ............................................................................... 3 I-2-Pourquoi la RAG est une préoccupation ? ............................................................................................ 3 I-3-Différents type de réaction Alcali Granulaire ....................................................................................... 4 I-3-1-Réaction Alcali Silice RAS ............................................................................................................................... 4 I-3-2-Réaction Alcali-silicate .................................................................................................................................. 4 I-3-3-Réaction Alcali-Carbonate RAC ...................................................................................................................... 4 II-Incidence de la RAG sur les structures de génie civil ............................................................................... 5 II-1-Structures endommagée dans le terrain.......................................................................................................... 5 II-2-La RAG dans le laboratoire ............................................................................................................................... 6 III-FISSURES DANS LE BETON DU A LA RAG ............................................................................................................... 7 III-1-Micro-fissures .................................................................................................................................... 7 III-2-Macro-fissures ................................................................................................................................... 8 IV-PRINCIPAUX MODELES DU MECANISME REACTIONNEL ............................................................................................. 9 IV -1-Réactivité des agrégats ..................................................................................................................... 9 IV -2-La minéralogie des roches d’agrégats réactives ............................................................................... 9 IV-3-Nomenclature structurale de la silice ............................................................................................... 11 IV-4-Les mécanismes ............................................................................................................................... 12 IV-4-1-Le processus topochimique ....................................................................................................................... 12 IV-4-1-1-Mécanisme de Dent-Glasser et Kataoka ............................................................................................ 12 IV-4-1-2-Mécanisme de Pool ........................................................................................................................... 13 IV-4-1-3-Mécanisme de WANG et GILLOT ....................................................................................................... 14 IV-4-2-Le processus de dissolution-précipitation ................................................................................................. 16 IV-4-3-Processus mixte ........................................................................................................................................ 17 IV-4-3-1-Modéle de CHATTERJI et al ................................................................................................................ 17 IV-4-3-2-Modèle de BULTEEl et al .................................................................................................................... 18 IV-4-4-Les modèles de gonflement...................................................................................................................... 18 IV-4-5-Hypothèses sur l’origine du gonflement.................................................................................................... 19 IV-4-5-1-Gonflement engendré par la double couche électrique .................................................................... 19 IV-4-5-2-Gonflement résultant de la pression osmotique ............................................................................... 19 IV-4-5-2-Gonflement par pression de cristallisation ........................................................................................ 20 IV-4-5-3-Gonflement granulaire ...................................................................................................................... 20 V-Synthèse sur le mécanisme de la réaction alcali-silice ......................................................................... 23 V-1-Les produits de la réaction ............................................................................................................................. 24 VI-NOTRE VISION SUR LES MECANISMES REACTIONNELS ........................................................................................... 25 VII-FACTEURS AFFECTANT LA RAG ....................................................................................................................... 27 VII -1-Les alcalins .................................................................................................................................... 28 VII -2-Humidité ........................................................................................................................................ 32 VII -3-La silice réactive ............................................................................................................................. 34 VII-4-Effets de l'environnement ............................................................................................................... 37 VIII-UNE CRITIQUE SUR LES MODELISATIONS DE LA RAG ........................................................................................... 38 VIII -1-Modèles Microscopiques ............................................................................................................... 40 VIII -1-1-Lemarchand et Dormieux 2000 .............................................................................................................. 40 VIII -1-2-Les modèles d’agrégats expansives ........................................................................................................ 43 VIII -1-3-Les modèles de gel de poche .................................................................................................................. 44 VIII -1-4-Effet de forme sur la RAG ....................................................................................................................... 49 VIII -2-Modélisation mésoscopique .......................................................................................................... 51 VIII -2-1-Furusawa et al. 1994 ............................................................................................................................... 51 VIII -2-2-Xi et al. 1999 .......................................................................................................................................... 51 VIII -2-3-Sellier et Capra 1997 ............................................................................................................................... 52 VIII -2-4-Bazant et Steffens 2000 .......................................................................................................................... 53 VIII -3-Modèles Macroscopiques .............................................................................................................. 54 VIII -3-1-Simulation thermique ............................................................................................................................. 55 VIII -3-2-Chatterji et Christensen 1990 ................................................................................................................. 55 VIII -3-3-Leger et al. 1995 .................................................................................................................................... 56 VIII -3-4-Huang et Pietrusczak 1999 ..................................................................................................................... 56 VIII -3-5-Sellier et Capra 1997 ............................................................................................................................... 57 VIII -3-6-Coussy et Larive 1996 ............................................................................................................................. 58 VIII -3-7-Les modèles phénoménologiques .......................................................................................................... 59 VIII -3-8-Les modèles Poro-mécaniques ............................................................................................................... 63 VIII -3-9-Les modèles ITZ ..................................................................................................................................... 66 IX-CONCLUSIONS ............................................................................................................................................. 68 CHAPITRE 2 : ETUDES ET METHODES EXPERIMENTALES DE LA REACTION ALCALI GRANULAIRE I-GENERALITE .................................................................................................................................................. 70 II-LES METHODES ET ESSAIS EXISTANTS .................................................................................................................. 70 II-1-Les essais Barre de mortier Accélérer (AMBT) ................................................................................... 71 II-1-1-ASTM C 1260 (ASTM C 1567) ...................................................................................................................... 71 II-1-2-AASHTO T 303 ............................................................................................................................................ 73 II-1-3-CSA A23.2-25A ........................................................................................................................................... 73 II-1-4-RILEM TC 106-2 (RILEM AAR-2) ................................................................................................................... 75 II-1-5-Essais Barre de mortier Accélérer Chinois (CAMBT) ................................................................................... 75 II-1-6-Limitation des essais Barre de mortier Accélérer ....................................................................................... 77 II-2-Les méthodes de prismes de béton (Concrete Prism Test CPT) ......................................................... 80 II-2-1-ASTM C 1293 .............................................................................................................................................. 80 II-2-2-CSA A23.2-14A ........................................................................................................................................... 82 II-2-3-RILEM TC 106-3 (RILEM AAR-3) ................................................................................................................... 83 II-2-4-Limitation des méthodes de prismes de béton (CPT) ................................................................................. 84 II-2-Méthode des prismes miniature en béton accélérées (Minature Concrete Prism Test MCPT) .......... 86 II-2-1-AASHTO TP 110-14 ..................................................................................................................................... 86 II-3-Durabilité .......................................................................................................................................... 88 II-3-1-Perméabilité .............................................................................................................................................. 88 II-3-2-Porosité ...................................................................................................................................................... 88 III-METHODE DE DIAGNOSTIC DE LA RAG .............................................................................................................. 89 III-1-Site inspection ................................................................................................................................. 90 III-1-1-Mesure des fissurations [Fasseu et al. 2003], [Godart et al. 1992] ............................................................ 90 III-1-2-Mesure de déformation ............................................................................................................................. 91 III-1-3-Analyser des résultats de mesure de fissuration et de déformation ......................................................... 91 III-1-4-Essai de fluorescence d’uranyle ................................................................................................................. 91 III-1-5-L'expansion résiduelle............................................................................................................................... 93 IV-LA PETROGRAPHIQUE ................................................................................................................................... 94 IV-1-Introduction ..................................................................................................................................... 94 IV-2-Analyse pétrographique ................................................................................................................... 95 IV-3-Équipement et méthode pétrographique ......................................................................................... 96 IV-3-1-Le microscope polarisant ........................................................................................................................... 96 IV-3-2-Composants caractéristiques d’un microscope polarisant ........................................................................ 96 IV-3-3-Procédures et méthodes ........................................................................................................................... 99 IV-4-Pétrographie des granulats ............................................................................................................ 101 IV-4-1-Aspect général ........................................................................................................................................ 101 IV-5-Pétrographie du béton ................................................................................................................... 102 IV-5-1-Aspect général ........................................................................................................................................ 102 IV-6-Examen pétrographique du béton dans les sections minces .......................................................... 103 IV-6-1-Caractéristiques générales ...................................................................................................................... 103 IV-6-2-Caractéristique Spécificités..................................................................................................................... 103 V-CONCLUSION ............................................................................................................................................. 105 PARTIE 2 : ETUDE DE LA REACTION ALCALI SILICE CHAPITRE 3 : ETUDE EXPERIMENTAL DE LA RAG I-METHODES ET ESSAIS ADOPTE ......................................................................................................................... 106 I-1-PRINCIPES AYANT GUIDE NOS CHOIX EXPERIMENTAUX ....................................................................................... 106 II-JUSTIFICATION DU CHOIX DES MATERIAUX ......................................................................................................... 107 II-1-Ciment ............................................................................................................................................ 107 II-2-Granulats ........................................................................................................................................ 107 II-3-Eau .................................................................................................................................................. 107 III-MODE OPERATOIRE .................................................................................................................................... 108 III-1-L’essai Barre de mortier Accélérer (AMBT) ..................................................................................... 108 ASTM C 1260 ..................................................................................................................................................... 108 III-2-Méthode des prismes miniature en béton accélérées (MCPT) ....................................................... 111 AASHTO TP 110-14 ............................................................................................................................................ 111 IV-CALCUL DU CHANGEMENT DE LONGUEUR POUR L’ASTM ET LE MCPT .................................................................. 113 V-CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX ................................................................................................................ 114 V-1-Composition chimique du ciment .................................................................................................... 114 V-2-Granulats ........................................................................................................................................ 115 V-2-1-Origine des granulats ............................................................................................................................... 115 V-2-1-1-Andésite........................................................................................................................................... 117 V-2-1-2-Quartzite .......................................................................................................................................... 117 V-2-2-Influence de la granulométrie .................................................................................................................. 118 V-2-2-1-Les résultats pour la méthode AMBT ............................................................................................... 119 V-2-2-2-Les résultats pour la méthode MCPT ................................................................................................ 120 V-3-Composition chimique des agrégats ............................................................................................... 120 V-3-1-La spectrométrie de fluorescence à rayons X (SFX / FX) ........................................................................... 120 V-3-2-Résultats de la spectrométrie de fluorescence à rayons X ....................................................................... 121 V-3-2-1-Andésite........................................................................................................................................... 121 V-3-2-2-Quartzite .......................................................................................................................................... 121 V-3-3-Caractéristique cristalline des agrégats .................................................................................................... 122 V-3-3-1-Caractérisation structurale (DRX) ..................................................................................................... 122 V-3-3-2-Les résultats de la DRX...................................................................................................................... 123 V-3-3-2-1-Andésite................................................................................................................................... 123 V-3-3-2-2-Quartzite .................................................................................................................................. 124 VI-RESULTATS DES ESSAIS D'EXPANSION .............................................................................................................. 125 VI-1-ASTM C 1260 (AMBT) .................................................................................................................... 125 VI-2-AASHTO TP 110-14 (MCPT) ............................................................................................................ 126 VII-DURABILITE ............................................................................................................................................. 127 VII-1-Essais de perméabilité à l’oxygène, et porosité à l’hydroxyle de calcium Préparation des échantillons ........................................................................................ 128 VII-1-1-Préparation des enchantions à partir des cubes .................................................................................... 129 VII-1-2-Résultats de l’essai de perméabilité ....................................................................................................... 132 VII-1-2-1-AMBT (ASTM C1260) ...................................................................................................................... 132 VII-1-2-2-MCPT (AASHTO T110-14 ) ............................................................................................................... 133 VII-2-Essai de Porosité........................................................................................................................... 134 VII-2-1-Résultats de l’essai de la porosité ........................................................................................................... 136 VII-2-1-1-AMBT (ASTM C1260) ...................................................................................................................... 136 VII-2-1-2-MCPT (AASHTO T110-14)................................................................................................................ 137 VII-3-Réduction de la résistance à la compression ................................................................................. 138 VII-3-1-ABMT (ASTMC1260) ............................................................................................................................... 139 VII-3-2-MCPT (AASHTO T110-14 ) ....................................................................................................................... 140 VII-4-Niveau pH dans la réaction alcali granulaire ................................................................................ 141 VII-4-1-Procédure d'essai utilisant un pH mettre ............................................................................................... 141 VII-4-2-Résultats ................................................................................................................................................ 144 VII-4-2-1-AMBT (ASTM C1260) ...................................................................................................................... 144 VII-4-2-2-MCPT (AASHTO 110-14) ................................................................................................................. 146 VIII-ANALYSE PETROGRAPHIE ............................................................................................................................ 146 VIII-1-Pétrographie des granulats .......................................................................................................... 148 VIII-1-1-Quartzite ............................................................................................................................................... 148 VIII-1-2-Andésite ................................................................................................................................................ 150 VIII-2-Pétrographie du béton ................................................................................................................. 152 VIII-2-1-Pont Golden .......................................................................................................................................... 152 VIII-3-Pétrographie des échantillons de l’essai AMBT ( ASTM C1260 ) .................................................. 154 VIII-3-1-AMBT (ASTM C1260) avec des quartzite ............................................................................................... 154 VIII-3-2-AMBT (ASTM C1260) avec des andésites .............................................................................................. 156 VIII-4-Pétrographie des échantillons de l’essai MCPT (AASHTO-110.14) ............................................... 159 VIII-4-1-MCPT (AASHTO-110.14) avec quartzite ................................................................................................. 159 VIII-4-2-MCPT (AASHTO-110.14) avec andésite .................................................................................................. 161 IX-CONCLUSION ............................................................................................................................................ 164 CHAPITRE 4 : MODELISATION DE LA REACTION ALCALI GRANULAIRE I-PRINCIPE DE LA MODELISATION ........................................................................................................................ 166 II-Les hypothèses de la modélisation ..................................................................................................... 168 III-Géométrie ......................................................................................................................................... 168 IV-Modèle adopté ................................................................................................................................. 169 V-Validation du modèle par rapport l’expérimental .............................................................................. 174 V-1-Comparaison des résultats de notre modèle avec l’expérimentation ......................................................... 174 V-1-1-Parametres de modélisation ................................................................................................................ 175 V-1-1-AMBT (ASTM C1260) ....................................................................................................................... 176 V-1-2-MCPT (AASHTO 110.14) .................................................................................................................. 177 VI-Implémentation du modèle dans un FEM application ....................................................................... 178 VI-1-L'analyse de l’expansion dans VER .............................................................................................................. 178 VII-Limite de notre modèle ..................................................................................................................... 180 VIII-Mécanisme d’avancement de la réaction alcali granulaire ............................................................. 181 VIII-1-Les Hypothèses ........................................................................................................................................ 185 VIII-2-La caractérisation chimique des réactifs et produits de la réaction ......................................................... 186 VIII-3-Résultats asymptotiques ........................................................................................................................... 188 VIII-3-1-ASTM ............................................................................................................................................... 188 VIII-3-2-MCPT ............................................................................................................................................... 192 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES .............................................................................................................. 197 BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................................... 200 LISTES DES PUBLICATIONS & COMMUNICATIONS ISSUES DE LA THESE .................................................... 215 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0742 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable | Salle de mémoires et de théses |
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