Évaluation non-destructive et non-invasive du développement de la réaction alcali-silice dans le béton par spectroscopie d'impédance électrique

La réaction alcali-silice (RAS) est l'un des mécanismes les plus courants et les plus néfastes qui réduit la fonctionnalité des structures en béton (mécanique / durabilité). À ce jour, il n'y a pas de moyens vraiment efficaces de limiter la dégradation causée par cette réaction dans les structures en béton existantes ; il est possible de caractériser visuellement les fissures causées par l'expansion du béton affecté par la RAS et de mesurer les déformations de l'ouvrage au fil du temps. Ce projet de recherche propose l'application de la polarisation provoquée spectrale (PPS) comme technique non destructive afin de caractériser les comportements électriques d'une structure en béton complexe et affectée par l'ASR avant même son apparition visuelle (fissuration). Ce projet a été réalisé en trois phases: la première phase consistait à développer un dispositif expérimental pouvant offrir une précision de déphasage de 1 mrad en employant une unité de polarisation provoquée spectrale SIP Fuchs III dans une gamme de fréquences allant de 1.43 mHz à 20 kHz. Notre porte-échantillon a permis de suivre et de caractériser simultanément les réponses électriques complexes à deux positions diamétralement opposées d'un échantillon. La configuration à quatre électrodes a été utilisée pour améliorer le rapport signal sur bruit. Afin d'évaluer la précision de notre système de mesure, des mesures PPS ont d'abord été réalisées sur un échantillon homogène de mortier, puis sur un échantillon hétérogène de béton. La résolution des mesures électriques a été obtenue en contrôlant les paramètres externes tels que l'effet de couplage, le facteur géométrique, l'impédance de contact et la polarisation des électrodes. Des plaques d'aluminium-bronze (électrodes de courant) ainsi qu'un gel conducteur ont été utilisées afin d'atténuer la résistance de contact à l'interface entre les électrodes et la surface de l'échantillon. Dans ce cas, la densité de courant et l'impédance de contact des électrodes étaient suffisamment faibles pour éviter les effets non linéaires et les erreurs de polarisation pendant la mesure. La deuxième phase portait sur la mise en évidence de la différence de comportement électrique complexe (PPS) entre les échantillons de béton non affectés et affectés par la RAS sous des conditions d'essai accélérées (solution de NaOH, 60 °C). Les données PPS ont été ajustées avec le modèle de décomposition de Debye (DD) pour déterminer la résistivité DC (ρ0) et la distribution de la chargeabilité (m) en fonction du temps de relaxation (τ). Selon les résultats obtenus, ρ0 n'a pas été affecté par le développement de la RAS; elle est fortement dépendante de la conductivité électrique de la solution (eau, NaOH). Cependant, elle a montré une augmentation constante pour les deux mélanges du béton (réactif; RC, témoins; NRC) saturés de la même solution (NaOH ou eau). Cela peut être dû au développement du squelette de la matrice cimentaire avec le temps. Une évolution significative du déphasage (φ), de la chargeabilité totale (Σm) et du temps de relaxation moyen (τ mean) a été constatée pour les échantillons de béton affectés par la RAS par rapport aux mélanges non affectés, en particulier à basse fréquence (1.48 MHz <f <5.86 Hz). Une forte corrélation linéaire a été observée entre la chargeabilité normalisée et la partie imaginaire de la conductivité pour les mélanges réactifs accélérés (RC-NaOH), ce qui pourrait être associé à une augmentation de la conductivité de surface de la couche de Stern à la surface des grains réactifs ou à l'évolution de la surface spécifique causé par à la production de gel de silice (RAS), ou les deux. Dans cette partie, nous avons proposé un modèle électrochimique conceptuel de la distribution des temps de relaxation afin de suivre l'évolution dans le temps du pic de chargeabilité pour l'échantillon de béton affecté par la RAS (RC-NaOH). Ce modèle a été basé sur la superposition de chargeabilités dues à trois groupes principaux de grains (granulats, sable et ciment). Les résultats ont montré une augmentation du pic de chargeabilité des mélanges réactifs à des temps de relaxation relativement longs τ> 100 s correspondant à la taille de grains grossiers. Cette observation pourrait être associée à l'évolution de la polarisation ainsi qu'à l'augmentation de la densité de charge à la surface des agrégats (couche de Stern) affectée par la RAS. La troisième phase portait sur la mise en évidence de la sensibilité de la méthode PPS à la réaction alcali-silice par rapport aux autres techniques classiques telles que les essais non destructifs (expansion, variation de masse, vitesse ultrasonore) et les examens destructifs (module d'élasticité, résistance à la compression, porosité, densité, analyses pétrographiques et minéralogiques). La corrélation possible a été étudiée entre les différentes signatures (électrique, physique, mécanique et chimique) afin de détecter et de surveiller le développement de la RAS au fil du temps. Les résultats montrent que l'expansion, l'analyse pétrographique avec l'évaluation des dommages, le module d'élasticité et la vitesse ultrasonique sont des critères fiables pour la caractérisation de l'endommagement lié à la RAS. Les réponses PPS (Σm et τmean) des échantillons affectés ont montré une corrélation significative avec l'augmentation de l'expansion au cours du temps. Cette observation a été validée par l'utilisation de l'analyse pétrographique selon la méthode du Damage Rating Index (DRI) qui a montré la présence de fissures remplies de gel dans les agrégats et dans le ciment affecté par la RAS. En fin, la sensibilité de PPS en laboratoire a été validée comme une méthode non destructive pour surveiller le développement de la RAS ainsi que pour détecter une différence significative des réponses électriques (φ, Σm, τmean) entre les échantillons de béton non affectés et affectés par cette réaction.

Abstract

The alkali–silica reaction (ASR) is one of the most common and harmful mechanisms that reduces the functionality of concrete structures (mechanical/durability). Nowadays, there is no way to limit the degradation of ASR reaction in the damaged concrete structures built; it is only possible to characterize visually the ASR-cracks which are caused by the expansion of concrete and to measure the deformations of the structure over time. Our research proposed the application of spectral induced polarization (SIP) as non-destructive technique in order to characterize the electrical behaviours of complex concrete structure affected by ASR before the damage is apparent. This work consists of three phases; first step aims to develop an experimental setup achieving phase accuracy 1 mrad in the range from 1.43 mHz to 20 kHz using SIP Fuchs III system. Our sample holder allowed to monitor and to characterize simultaneously the electrical complex responses on opposite sides of the sample. The four-electrode configuration was used to improve the signal-to-noise ratio. In order to evaluate the precision of our laboratory configuration, SIP was first conducted on a homogeneous mortar sample, and then on a heterogeneous concrete specimen. The resolution of electrical measurement was achieved by controlling the external parameters such as coupling effect, geometric factor, contact impedance and electrode polarization). Aluminum-bronze plates with conductive gel as the electric current electrodes were used to reduce the contact resistance between the current electrodes and the concrete surface. In this case, the current density and the contact impedance of the electrodes were sufficiently low to avoid non-linear effects and polarization error. Second part focuses on highlighting the difference of electrical behaviour between non-affected and affected concrete samples by ASR under accelerated test conditions (60°C). The SIP data were fitted with a Debye decomposition model (DD) to determine the DC bulk resistivity (ρ0) and the distribution of the chargeability (m) as a function of the relaxation time (τ), it was not affected by the ASR development, and it strongly depended on the electrical conductivity of the solution (water, NaOH). However, ρ0 showed a constant increase due to the development of the matrix skeleton over time. A significant evolution of phase lag (φ), total chargeability (Σm) and mean relaxation time (τ mean) was found for affected concrete samples by ASR compared to the non-affected mixtures, especially over the low frequency range (1.43 mHz < f < 5.86 Hz). There was a strong linear correlation between normalized chargeability and the imaginary part of the electrical conductivity for accelerate reactive mixtures (RC-NaOH), which could be associated with an increase in surface conductivity of the Stern layer at reactive grain surface or the evolution of specific surface area due to production of ASR silica gel, or both. In this part, we proposed a conceptual electrochemical model of relaxation time distribution in order to monitor the evolution in time of chargeability peak for concrete affected by ASR (RC-NaOH). This model was based on the superimposition of chargeabilities due to three main groups of mineral grains (aggregates, sand and cement). The results showed an increase in chargeability peak of reactive mixtures at relatively long relaxation times τ > 100 s that was corresponded to the coarse-grained area. This observation could be due to the evolution of polarization and increasing the charge density at the aggregates surface (Stern layer) affected by ASR. The third part highlighted the potential value of SIP method compared to the other conventional techniques such as the non-destructive techniques (expansion, mass variation, ultrasonic pulse velocity) and the destructive testing (modulus of elasticity, compressive strength, porosity, density, petrographic examination). The study of the possible correlation between their different signatures was conducted for detection and time-lapse monitoring of ASR development. According to our results, the expansion, petrographic examination by estimating the Damage Rating Index (DRI), modulus of elasticity and ultrasonic pulse velocity method showed good sensitivity to distinguish the damage caused by ASR. The PPS responses (φ, Σm and τ mean) of the affected concrete samples showed a significant increasing trend with expansion over time. This observation was validated using petrographic analysis according to the Damage Rating Index method (DRI) which showed the presence of gel-filled cracks in aggregates and cement affected by ASR. Finally, the sensitivity of the laboratory SIP measurement was validated as a non-destructive method to monitor the development of the RAS, as well as to detect a significant difference of electrical responses (φ, Σm, τmean) between non-affected and affected concrete samples by ASR.