Réaction Alcali-Granulat (RAG) dans un Pont
Contexte : La Réaction Alcali-Granulat (RAG)Une réaction chimique expansive dans le béton entre les alcalis du ciment et certains granulats réactifs, provoquant gonflement et fissuration..
La RAG est une pathologie majeure des ouvrages en béton. Elle menace la durabilité de nombreuses structures de génie civil (ponts, barrages, fondations) en provoquant un gonflement interne du matériau, menant à une fissuration caractéristique (dite en "faïençage") et à une perte de propriétés mécaniques. Comprendre ses causes et ses mécanismes est essentiel pour tout ingénieur en matériaux.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à identifier les conditions de déclenchement de la RAG, à évaluer le risque en se basant sur la formulation du béton et les essais, et à sélectionner les mesures préventives adéquates selon les normes en vigueur.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre le mécanisme chimique de la RAG et le "triangle" de ses causes.
- Identifier les granulats potentiellement réactifs et les sources d'alcalis.
- Calculer la teneur totale en alcalis actifs d'un béton.
- Appliquer les normes (ex: NF EN 206) pour évaluer le risque et choisir les mesures préventives.
Données de l'étude
Fiche Technique
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Type de structure | Pont routier en béton armé |
| Environnement | Humide (proximité d'un cours d'eau), sels de déverglaçage en hiver. |
| Constatations visuelles | Fissuration en faïençage, exsudats blanchâtres (gel de silice). |
Schéma de la Fissuration Observée (Faïençage)
| Paramètre | Description | Valeur (issue des essais) | Unité |
|---|---|---|---|
| Teneur en alcalis (Na₂O_eq) | Issue des archives (ciment d'origine) | 1.1 | %|
| Dosage en ciment | Issue des archives | 380 | kg/m³|
| Nature du granulat (gros) | Essai pétrographique sur carottes | Silex de craie (potentiellement réactif) | -|
| Expansion à 60°C | Essai accéléré (NF P18-587) sur carottes | 0.18 | %
Questions à traiter
- Calculer la teneur totale en alcalis actifs du béton (en kg/m³).
- Analyser le résultat de l'essai d'expansion (0.18 %). Le béton est-il affecté par la RAG selon les seuils normatifs français (seuil de 0.10 %) ?
- Quels sont les trois facteurs (le "triangle de la RAG") nécessaires au déclenchement de la réaction ? Sont-ils réunis dans ce cas ?
- Pour un nouveau projet dans le même environnement, quelles mesures préventives de niveau A (NF EN 206) pourriez-vous recommander si vous deviez utiliser les mêmes granulats ?
- Quelle est la différence entre une mesure préventive (pour un ouvrage neuf) et une mesure corrective (pour cet ouvrage existant) ? Citez un exemple de mesure corrective.
Les bases sur la Réaction Alcali-Granulat (RAG)
La RAG est une pathologie du béton. Pour la comprendre, il faut maîtriser son mécanisme chimique et les facteurs qui l'influencent. C'est une réaction lente mais destructrice qui compromet la durabilité des ouvrages.
1. Le Mécanisme Chimique
La RAG se produit en deux étapes : 1. Attaque de la silice réactive (Si-OH) des granulats par les ions alcalins (Na+, K+) et hydroxyles (OH-) de la solution interstitielle du béton. 2. Formation d'un gel de silice alcalin (C-S-H-N-K) qui a la propriété d'absorber l'eau et de gonfler. Ce gonflement crée des pressions internes qui fissurent le béton de l'intérieur.
\[ \text{SiO}_2 \text{ (réactif)} + 2\text{Na}^+ + 2\text{OH}^- + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \underbrace{\text{Na}_2\text{SiO}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O}}_{\text{Gel expansif}} \]
2. Le "Triangle de la RAG"
Pour que la réaction ait lieu, trois conditions doivent être réunies simultanément :
- Granulats réactifs : Présence de silice réactive (ex: silex, opale, chert, grauwacke...).
- Alcalis suffisants : Teneur élevée en alcalis (Na+, K+) provenant du ciment (principalement) ou d'apports externes (sels de déverglaçage, eau de mer).
- Humidité élevée : Une humidité relative (HR) ambiante > 80-85% est nécessaire pour que le gel absorbe l'eau et gonfle.
Correction : Réaction Alcali-Granulat (RAG) dans un Pont
Question 1 : Calculer la teneur totale en alcalis actifs du béton (en kg/m³).
Principe
Cette question vise à quantifier le "carburant" alcalin disponible pour la RAG dans un mètre cube de béton. Le ciment est la source principale d'alcalis. Pour trouver la masse totale d'alcalis, il suffit de multiplier la masse totale de ciment utilisée (le dosage) par le pourcentage d'alcalis contenu dans ce ciment.
Mini-Cours
La teneur en alcalis d'un ciment est exprimée en équivalent Na₂O (Na₂O_eq). Elle regroupe les oxydes de sodium (Na₂O) et de potassium (K₂O) en une seule valeur, car les deux participent à la réaction. La formule est : \( \text{Na}_2\text{O}_{\text{eq}} = \% \text{Na}_2\text{O} + 0.658 \times \% \text{K}_2\text{O} \). Dans cet exercice, cette valeur (1.1 %) est déjà donnée.
Remarque Pédagogique
Retenez bien le seuil préventif français : 3.0 kg/m³. Si votre calcul donne un résultat supérieur à ce seuil, et que les granulats sont réactifs et l'environnement humide, le risque de RAG est avéré. C'est un calcul fondamental en formulation de béton durable.
Normes
Le calcul de la teneur en alcalis et le seuil de prévention de 3.0 kg/m³ sont spécifiés dans le complément national français (NF P 18-305) de la norme européenne NF EN 206, qui régit la production de béton.
Formule(s)
La formule à appliquer est une simple multiplication basée sur un pourcentage.
Teneur totale en alcalis (par m³ de béton)
Hypothèses
Pour ce calcul, nous posons les hypothèses suivantes :
- Le ciment est la seule source d'alcalis prise en compte. (En réalité, les granulats ou l'eau de gâchage peuvent aussi en apporter, mais c'est souvent négligé en première approche).
- Les données d'archives (dosage et teneur % du ciment) sont exactes.
Donnée(s)
Nous extrayons les chiffres nécessaires de l'énoncé :
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Dosage CimentMasse de ciment (en kg) contenue dans un mètre cube (m³) de béton. | C | 380 | kg/m³ |
| Teneur Alcalis (Na₂O_eq)Pourcentage en masse d'alcalis (sodium et potassium) contenu dans le ciment. | %A | 1.1 | % |
Astuces
L'erreur la plus classique est d'oublier de diviser le pourcentage par 100. Pensez que 1.1 % équivaut à un facteur multiplicateur de 0.011.
Schéma (Avant les calculs)
On peut visualiser 1m³ de béton comme une "boîte" contenant 380 kg de ciment. Notre calcul consiste à trouver quelle masse, parmi ces 380 kg, est constituée d'alcalis.
Composition (Source d'alcalis)
Calcul(s)
Nous appliquons la formule étape par étape.
Étape 1 : Conversion du pourcentage
Étape 2 : Calcul de la teneur totale
Schéma (Après les calculs)
Le calcul nous donne la réponse à notre interrogation :
Résultat du Calcul
Réflexions
La teneur totale en alcalis de ce béton (4.18 kg/m³) est très supérieure au seuil de prévention de 3.0 kg/m³. Cela signifie que la deuxième condition du "triangle de la RAG" (Alcalis suffisants) est largement remplie. Le risque était donc majeur dès la conception, et le ciment utilisé n'était pas adapté pour cet usage (pont en milieu humide) avec ces granulats.
Points de vigilance
Attention, le seuil de 3.0 kg/m³ est une règle préventive française. D'autres pays peuvent avoir des seuils différents. De plus, ne pas oublier les apports externes : l'utilisation de sels de déverglaçage (qui contiennent du Na+) sur le pont a pu aggraver la réaction en apportant encore plus d'alcalis par l'extérieur.
Points à retenir
Si vous ne deviez retenir que quelques points clés de cette question, ce seraient ceux-là.
- La source principale d'alcalis est le ciment.
- La formule est : \(\text{Alcalis (kg/m³)} = \text{Dosage (kg/m³)} \times (\% \text{Na}_2\text{O}_{\text{eq}} / 100)\).
- Le seuil de prévention critique en France est de 3.0 kg/m³.
Le saviez-vous ?
D'où vient le facteur 0.658 dans la formule du Na₂O_eq ? Il s'agit simplement du rapport des masses molaires : \( \text{M(Na}_2\text{O)} \approx 62 \text{ g/mol} \) et \( \text{M(K}_2\text{O)} \approx 94 \text{ g/mol} \). Le rapport \( 62 / 94 \approx 0.658 \). Cela permet de convertir la masse de K₂O en une masse "équivalente" de Na₂O en termes de réactivité molaire.
FAQ
Voici quelques questions fréquentes sur ce calcul.
Résultat Final
A vous de jouer
Si le cimentier avait fourni un ciment "NA" (faibles alcalis) avec une teneur de 0.55 % Na₂O_eq, quelle aurait été la teneur totale en alcalis ? (en conservant 380 kg/m³ de dosage)
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 1 :
- Concept Clé : Calcul de l'apport en alcalis du ciment.
- Formule Essentielle : \(\text{Alcalis (kg/m³)} = \text{Dosage (kg/m³)} \times \text{\%Alcalis}\).
- Seuil critique (France) : 3.0 kg/m³.
Question 2 : Analyser le résultat de l'essai d'expansion (0.18 %). Le béton est-il affecté par la RAG ?
Principe
Les essais d'expansion accélérée (à chaud, comme 60°C ou 38°C) permettent de savoir si un béton est réactif. On compare l'expansion mesurée sur les carottes prélevées sur l'ouvrage à un seuil défini par les normes.
Mini-Cours
L'essai d'expansion sur carottes (NF P18-587 à 60°C ou NF P18-594 à 38°C) est un outil de diagnostic. On prélève des cylindres de béton de l'ouvrage, on les place dans une solution alcaline (NaOH ou KOH) à température élevée (38°C ou 60°C) pour accélérer la réaction. On mesure leur allongement (expansion) sur plusieurs mois. Cette expansion est la manifestation directe du gonflement interne provoqué par le gel de RAG. Les seuils normatifs sont fixés par retour d'expérience pour corréler l'expansion en laboratoire à l'existence de désordres visibles sur site.
Normes
En France, les recommandations LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) pour l'essai sur carottes à 60°C (NF P18-587) stipulent qu'un béton est considéré comme affecté par la RAG si son expansion dépasse 0.10 %.
Donnée(s)
L'énoncé nous donne directement le résultat de l'essai.
- Expansion mesurée = 0.18 %
- Seuil normatif = 0.10 %
Calcul(s) / Réflexions
Il s'agit d'une simple comparaison :
L'expansion mesurée est presque le double du seuil d'alerte. Cela confirme sans ambiguïté que le béton souffre d'une RAG active et significative.
Résultat Final
A vous de jouer
Si l'expansion mesurée avait été de 0.08 %, le béton aurait-il été officiellement diagnostiqué comme atteint de RAG ? (Répondez 1 pour Oui, 0 pour Non).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 2 :
- Concept Clé : Diagnostic par essai d'expansion accélérée.
- Seuil critique (Carottes, 60°C) : 0.10 %.
- Interprétation : \(\text{Mesure} > \text{Seuil} \Rightarrow\) RAG confirmée.
Question 3 : Quels sont les trois facteurs (le "triangle de la RAG") nécessaires ? Sont-ils réunis ici ?
Principe
La RAG ne peut pas se produire s'il manque une des trois conditions fondamentales. La prévention vise à en supprimer au moins une. Le diagnostic consiste à vérifier si les trois sont présentes.
Mini-Cours
Les trois facteurs (le "triangle de la RAG") sont :
- Granulats réactifs (contenant de la silice réactive).
- Alcalis en quantité suffisante (venant du ciment ou de l'extérieur).
- Humidité élevée (permettant la dissolution des alcalis et le gonflement du gel).
Réflexions
Vérifions si les trois conditions sont réunies dans notre étude de cas :
- Granulats réactifs ? Oui. L'essai pétrographique a identifié du "Silex de craie", qui est un granulat connu comme potentiellement réactif en France.
- Alcalis suffisants ? Oui. Nous avons calculé à la Q1 une teneur de 4.18 kg/m³, ce qui est bien supérieur au seuil de risque de 3.0 kg/m³.
- Humidité élevée ? Oui. L'ouvrage est un pont au-dessus d'un cours d'eau, exposé à la pluie et à l'humidité ambiante (HR > 85% quasi-permanente).
Résultat Final
A vous de jouer
Si ce même béton avait été utilisé pour une fondation en intérieur sec (HR < 75%), la RAG se serait-elle déclenchée ? (Répondez 1 pour Oui, 0 pour Non).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 3 :
- Triangle RAG : Granulats Réactifs + Alcalis Suffisants + Humidité Élevée.
- Analyse : Il faut toujours vérifier la présence des trois facteurs pour comprendre la pathologie.
Question 4 : Quelles mesures préventives de niveau A (NF EN 206) recommanderiez-vous pour un nouveau projet ?
Principe
Pour un nouvel ouvrage, la prévention est obligatoire. Elle vise à supprimer un des trois facteurs. Puisqu'on suppose utiliser les mêmes granulats (réactifs) dans le même environnement (humide), la seule solution est de limiter la quantité d'alcalis.
Mini-Cours
La prévention de la RAG (définie par la norme NF EN 206) consiste à agir sur un des facteurs du triangle.
- Niveau A (Prévention sur les Alcalis) : On limite la source d'alcalis. C'est la méthode la plus courante. On s'assure que le contenu total en alcalis actifs du béton est \(\le 3.0 \text{ kg/m³}\).
- Niveau B (Prévention sur les Granulats) : On utilise des granulats certifiés "Non Réactifs" (NR). C'est la solution la plus simple si on dispose d'une carrière NR à proximité.
- Niveau C (Prévention par performance) : On réalise des essais de performance sur la formule de béton complète (ciment + granulats + additions) pour prouver qu'elle ne gonfle pas, même si les granulats sont réactifs et les alcalis élevés. C'est une approche plus complexe mais plus flexible.
Normes
La norme NF EN 206 et son complément national (NF P 18-305) définissent les niveaux de prévention. Pour des granulats potentiellement réactifs (P) dans un environnement humide (le cas ici), la prévention de niveau A s'applique. Elle impose de limiter la teneur totale en alcalis à 3.0 kg/m³.
Formule(s)
Condition à respecter
Réflexions
Pour respecter ce seuil, plusieurs solutions s'offrent à l'ingénieur :
- Solution 1 : Ciment "NA". Utiliser un ciment certifié "NA" (Faibles Alcalis), dont la teneur en Na₂O_eq est garantie < 0.60 %. (Ex: 380 kg/m³ * 0.0060 = 2.28 kg/m³ < 3.0 kg/m³).
- Solution 2 : Ciments aux additions. Utiliser des ciments composés qui ont prouvé leur efficacité, comme les ciments au laitier de haut-fourneau (CEM III) ou aux cendres volantes (CEM II/B-V), qui "piègent" les alcalis.
- Solution 3 : Ajouts. Incorporer directement des additions minérales (laitier, cendres, fumée de silice) en substitution partielle du ciment pour diluer les alcalis et consommer la portlandite.
Résultat Final
A vous de jouer
L'utilisation de 10% de fumée de silice en substitution du ciment est-elle une mesure préventive reconnue contre la RAG ? (Répondez 1 pour Oui, 0 pour Non).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 4 :
- Prévention (Niveau A) : Viser Alcalis totaux \(\le\) 3.0 kg/m³.
- Solutions : Ciment NA, Ciment CEM III, Ciment CEM II/B-V, ou ajouts d'additions (laitier, cendres, fumée de silice).
Question 5 : Différence entre mesure préventive et corrective ? Citez un exemple de mesure corrective.
Principe
La terminologie est importante : "Préventif" signifie "avant" (empêcher la maladie), "Correctif" ou "Curatif" signifie "après" (gérer la maladie).
Mini-Cours
Une mesure préventive est intégrée à la conception d'un ouvrage neuf. Elle est choisie pour empêcher l'apparition de la RAG. Elle supprime un des trois facteurs à la source (ex: choix d'un ciment NA). Une mesure corrective (ou palliative) s'applique à un ouvrage existant déjà malade. Elle ne peut pas guérir le béton ou inverser le gonflement. Son but est de ralentir ou stopper la réaction (en agissant sur le facteur "eau") et de gérer les conséquences structurelles (fissures, contraintes) pour prolonger la durée de vie de l'ouvrage.
Réflexions
- Mesure Préventive : Appliquée avant la construction (lors de la conception). Elle vise à empêcher le déclenchement de la RAG en supprimant un des 3 facteurs. Exemple : Choisir un ciment NA.
- Mesure Corrective (ou Palliative) : Appliquée sur un ouvrage existant déjà atteint. Elle ne guérit pas le béton, mais vise à ralentir ou stopper la progression de la réaction (généralement en bloquant l'eau) et à gérer ses conséquences structurelles.
Points à retenir
Exemples de mesures correctives :
- Bloquer l'eau : Application d'un revêtement hydrofuge ou d'une étanchéité sur les parements pour empêcher l'eau de pluie de pénétrer et d'alimenter le gel.
- Gérer les effets : Sciage de joints de décompression pour permettre au béton de gonfler sans créer de contraintes excessives.
- Confinement : Ajout d'un confinement passif (ex: tissus en fibres de carbone) pour reprendre les efforts d'expansion.
Résultat Final
A vous de jouer
Changer le ciment de la formulation est-il une mesure corrective ? (Répondez 1 pour Oui, 0 pour Non).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 5 :
- Préventif : Agir sur la cause (avant construction).
- Correctif : Agir sur les conséquences ou la cinétique (après construction). Ex: Bloquer l'eau.
Outil Interactif : Simulateur d'Alcalis
Ce simulateur permet d'estimer la teneur totale en alcalis (Na₂O_eq) dans votre béton en fonction du dosage en ciment et de la teneur en alcalis du ciment, et d'évaluer le risque.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quels sont les trois éléments essentiels du "triangle de la RAG" ?
2. Quelle est une mesure préventive efficace contre la RAG pour un nouvel ouvrage ?
3. Un ciment a une teneur Na₂O_eq de 0.8%. Le dosage est de 400 kg/m³. Quelle est la teneur totale en alcalis ?
4. Quel type de granulat est connu pour être potentiellement réactif à la RAG en France ?
5. Quelle est une mesure corrective pour un pont déjà atteint de RAG ?
Glossaire
- RAG (Réaction Alcali-Granulat)
- Réaction chimique expansive entre les alcalis (ciment) et la silice (granulats) en présence d'eau, provoquant gonflement et fissuration du béton.
- Na₂O_eq (Équivalent Alcalin)
- Teneur totale en alcalis d'un ciment, calculée par la formule \( \text{Na}_2\text{O} + 0.658 \times \text{K}_2\text{O} \), exprimée en pourcentage.
- Faïençage
- Réseau de fissures fines et anarchiques à la surface du béton, typique du gonflement par RAG.
- Ciment "NA" (Low Alkali)
- Ciment dont la teneur en Na₂O_eq est garantie par le fabricant comme étant basse (généralement < 0.60 %).
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