La "maladie du béton" fait l'objet d'une enquête
Lorsque des ponts, des barrages et des fondations en béton se fissurent, la cause en est souvent l'AAR : la réaction alcaline-agrégat. Elle fait gonfler le béton et rend nécessaires des rénovations ou de nouvelles constructions.
Le béton n'est malheureusement pas éternel. En Suisse aussi, les ouvrages en béton subissent les ravages du temps. Les constructions armées d'acier, comme les ponts, ne sont pas les seules concernées : les ouvrages en béton sans armature, comme les barrages, sont également touchés. L'une des raisons est ce que l'on appelle la réaction alcaline-agrégats (AAR). Elle peut affecter toutes les constructions en béton à ciel ouvert. Dans le cas de l'AAR, ce sont les ingrédients du béton lui-même qui posent problème : le ciment - la "colle" du béton - contient des métaux alcalins comme le sodium et le potassium. L'humidité contenue dans le béton se transforme ainsi en lessive. Les principaux composants du béton sont le sable et le gravier. Ceux-ci sont à leur tour composés, entre autres, de silicates, par exemple de quartz ou de feldspath. L'eau alcaline réagit alors avec ces silicates et entraîne la formation d'hydrate de silicate alcalin et de calcium. Ce minéral emmagasine de plus en plus de molécules d'eau dans sa structure, se dilate et, avec le temps, fait éclater le béton de l'intérieur.
Le barrage peut s'étendre
Ce qui est remarquable, c'est que la même réaction se produit dans de nombreux grains de gravier qui se trouvent dans le béton ; les petits cailloux sont éclatés un par un. La pression que cette microréaction peut exercer sur l'ensemble d'un ouvrage est énorme : un barrage, par exemple, peut se dilater de quelques décimètres. Cela peut entraîner des dommages au niveau des points de raccordement latéraux à la roche ou des déformations au niveau des écluses. La réaction est lente, de sorte que les premiers dommages ne sont perceptibles qu'au bout de 10 à 15 ans dans les ouvrages concernés. Le gonflement continu du béton peut toutefois raccourcir considérablement la durée de vie des ouvrages.
En 2015, une équipe de scientifiques de l'Empa et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) a réussi à identifier pour la première fois la structure du cristal contenant de l'eau qui déclenche le gonflement dans le béton. Auparavant, cette structure avait fait l'objet de nombreuses spéculations.
Projet de recherche interdisciplinaire
Cette découverte a été le déclencheur d'un projet de recherche interdisciplinaire financé par le Fonds national suisse (FNS). Outre l'Empa et le PSI, deux instituts de l'EPFL y participent ; les activités de recherche sont coordonnées par Andreas Leemann, chercheur à l'Empa. "Nous voulons étudier et comprendre le RAA dans toutes ses dimensions, du niveau atomique et de l'échelle des longueurs dans le domaine des angströms jusqu'aux effets sur des constructions entières à l'échelle du centimètre et du mètre", explique Leemann.
Six sous-projets pour toutes les dimensions
Six sous-projets ont été définis à cet effet dans le cadre du projet FNS Synergia : Le PSI étudie la structure des produits de réaction à l'aide du rayonnement synchrotron afin de pouvoir expliquer leur source. L'EPFL étudie les conditions-cadres déterminantes pour la dissolution des silicates et la composition des produits de réaction initialement formés ; de plus, les effets du gonflement sur les constructions sont étudiés à l'aide de simulations informatiques. Et à l'Empa, d'une part, la formation des fissures dans le béton est enregistrée dans l'espace et avec une résolution temporelle par tomographie informatique au centre de radiographie de l'Empa ; d'autre part, les cristaux contenant de l'eau sont synthétisés en laboratoire. Les chercheurs peuvent ainsi obtenir de plus grandes quantités de la substance qui se trouve habituellement dans les fissures nanométriques à micrométriques des grains de gravier. Or, seules de plus grandes quantités de la substance en question permettent de déterminer avec précision les propriétés physiques. Les connaissances ainsi acquises doivent non seulement permettre de mieux comprendre l'AAR, mais aussi de trouver des moyens d'éviter les dommages - et donc les coûts.
"Nous sommes déjà en train de décrypter ce phénomène qui n'était jusqu'à présent que partiellement connu", explique Leemann. Le projet de recherche de quatre ans a démarré en mai 2017. Les premiers résultats sont déjà disponibles. La prochaine étape consiste à renforcer la mise en réseau des différents groupes de travail et à s'appuyer sur les résultats des groupes partenaires. Il devrait ainsi en résulter au final une image complète de l'AAR, qui permettra de mieux évaluer l'état et la menace des ouvrages en béton et d'accompagner le destin des constructions attaquées de manière scientifiquement fondée.
