Études de l'effet d'échelle sur l'expansion du béton affecté par la réaction alcalis-silice (RAS): contexte des ouvrages hydrauliques en béton

«RÉSUMÉ: La réaction alcalis-silice (RAS) est une forme de dégradation accélérée des structures en béton contenant des granulats réactifs. Elle est principalement due à l'expansion du gel de RAS en présence d'eau. Pour les structures hydrauliques en béton, ce phénomène est donc critique et peut entraîner des problèmes de fonctionnement et de sécurité. Compte tenu de la complexité de ce phénomène, des analyses non linéaires sophistiquées par éléments finis sont essentielles pour étudier les structures hydrauliques affectées par la RAS. La cinétique de l'expansion libre de la RAS est l'un des intrants les plus importants pour ces analyses. Elle pourrait théoriquement être évaluée avec un suivi en expansion de spécimens de béton en chambre environnementale dans des conditions accélérées de la RAS. Des travaux expérimentaux antérieurs ont toutefois montré que cette expansion dépendrait de la taille des éprouvettes, et que la cinétique de la RAS de spécimens de petite taille n’était pas représentatrice de celle des ouvrages hydrauliques massifs. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet d'échelle chimique, résulterait du lessivage des alcalis survenant dans les petites éprouvettes en laboratoire. Il modifie considérablement les prévisions du modèle numérique, ce qui entraîne une sous-estimation de l'expansion asymptotique des structures hydrauliques. Cette étude fait partie d’un projet de recherche dont l’objectif à long terme est la prédiction du comportement futur d’un aménagement hydraulique existant atteint par la RAS, via des analyses numériques par éléments finis. Les objectifs ultimes de ce travail de maitrise sont la compréhension de l’effet d’échelle sur l’expansion et le développement de modèles numériques permettant de le reproduire. Deux grands volets ont été parallèlement explorés dans ce travail, afin d’atteindre ces objectifs. Un premier volet purement analytique et numérique vise à développer une méthodologie de calcul multi-échelles et multi-physiques pour la modélisation du phénomène de lessivage des alcalins, reconnu comme une des principales causes de l’effet d’échelle. Un deuxième volet expérimental vise, pour la première fois dans la littérature, à l’exploration d’une technologie émergeante de spectroscopie par émission atomique (LIBS) dans le contexte de caractérisation de l’effet d’échelle à l’échelle mésoscopique. À cet effet, deux échantillons différents ont été considérés, et sont issus de spécimens en béton reconstitué (granulat maximum de 76 mm) de l’aménagement hydraulique existant. Les deux spécimens choisis ont atteint un niveau d’expansion similaire après plus de 3 ans d’entreposage dans une chambre environnementale, mais sont de tailles différentes.»

Abstract

«ABSTRACT:Alkali-silica reaction (ASR) is a form of accelerated degradation of concrete structures containing reactive aggregates. This is mainly due to the expansion of the ASR gel in the presence of water. This phenomenon is critical for hydraulic concrete structures and can lead to operational and safety problems. Given the complexity of this phenomenon, sophisticated non-linear finite element analyses are essential to study hydraulic structures affected by ASR. The kinetics of the free expansion of ASR is one of the most critical inputs for such analyses. Theoretically, it can be evaluated with expansion monitoring of concrete specimens in environmental chambers under accelerated ASR conditions. However, previous experimental works have shown that this expansion depends on the size of the specimens and that the ASR kinetics of small specimens are not representative of those of massive hydraulic structures. This phenomenon, known as the chemical size effect, mainly results from the leaching of alkalis from small specimens in the laboratory. It considerably modifies the prediction of the numerical model, leading to an underestimation of the asymptotic expansion of hydraulic structures. This study is part of a research project whose long-term objective is to predict the future behaviour of an existing hydraulic structure affected by ASR, using advanced finite element analyses. The main objectives of this master's thesis are to understand the size effect in expansion and to develop numerical models that can reproduce the phenomenon. Two main areas have been explored in parallel to achieve these objectives. The first, purely analytical and numerical, aims to develop a comprehensive multi-scale and multi-physics model for simulating alkali leaching, recognized as one of the main causes of the size effect. A second experimental part aims, for the first time in the literature, to explore Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technology in the context of characterizing the size effect in ASR expansion, at the mesoscopic scale. To our best knowledge, this study is the first to investigate size effect using this technique. For this purpose, two different samples were taken from reconstituted concrete specimens (maximum aggregate 76 mm) from the existing hydraulic structure. Both specimens with different sizes, have reached a similar level of expansion after more than three years of storage in an environmental chamber. The larger specimen did not however reach its asymptotic expansion.»