Une modélisation de la réaction alcalis-granulat intégrant une description des phénomènes aléatoires locaux

Résumé

La réaction alcalis-granulats est étudiée ici de manière à comprendre les phénomènes élémentaires mis en jeu, à retrouver les concentrations pessimales en composants réactifs et à analyser l'effet d'un confinement mécanique en vue d'en déduire des solutions mécaniques qui permettraient de ralentir les réactions ou leurs effets. A cet effet, des gradients aléatoires en concentrations d'alcalins, les substitutions d'ions et la croissance des gels sont pris en considération. Les mécanismes gouvernant les processus mis en jeu sont alors décrits dans un cadre probabiliste. Les diverses phases de la modélisation rendent compte de la nature aléatoire des concentrations initiales en constituants chimiques, des localisations et granulométries des sites réactifs ainsi que de la porosité du béton considéré. Les relations entre les gonflements et dégradations, la mise en pression des gels formés, avec les phénomènes physico-chimiques la formation et la croissance des gels silico-alcalins, sont exprimées au travers d'une approche mécanique locale s'inspirant de considérations de la mécanique linéaire de la rupture. Les calculs numériques sont effectués en vue d'en comparer les résultats aux observations expérimentales. On peut déduire des simulations ainsi effectuées que: (i) la cinétique globale est gouvernée soit par la vitesse de diffusion équivalente, dans la silice réactive, soit par la diffusion des ions alcalins dans la matrice de mortier. Le processus chimique prend fin lorsque la diffusion des alcalins vers les sites réactifs ou les sources réactives sont complétement atténuées ou consommées. (ii) une étreinte isotrope de confinement peut réduire les gonflements. (iii) les concentrations pessimles, en granulats réactifs dans le cas de l'opale, obtenues numériquement sont conformes aux valeurs observées expérimentalement. Nous proposons une modélisation du phénomène de la réaction alcalis-granulat. Cette modélisation comprend trois parties principales. La première partie concerne la modélisation du processus chimique, (apparition de gradients aléatoires locaux d'alcalins, substitutions d'ions, bilans chimiques de constituants. ...). La seconde partie concerne la modélisation des effets mécaniques induits par le gonflement du gel issu de la réaction chimique. Elle intègre une description probabiliste de la porosité et des tailles des granulats réactifis. Nous illustrerons cette étude par une application du modèle à la détermination de la teneur pessimale en silice réactive d'un béton. Nous montrerons également l'influence d'une étreinte isotrope sur le gonflement. Pour chacune de ces applications, le modèle élaboré permet de suivre les évolutions des variables du problème en fonction du temps; probabilité d'apparition de gel, teneur en silice réactive résiduelle, teneur en alcalins résiduels, gonflement, pression dans le gel, endommagement, longueur des fissures, ainsi que les incertitudes sur chacune de ces valuers.

Summary

A theoretical model of the alkali-aggregate reaction is described that involves a probabilitistic approach. The first part of the model deals with the chemical processes including global and local alkali gradients, ions substitution and conditions for equilibrium. The second part describes the mechanical effects that are induced by expansion due to the chemical reaction. The probabilistic aspects concern the porosity and the reactive aggregates size. The third part provides an application of the proposed model. The main goals are the calculation of the minimum concentrations of reactive components and the effects of pressure as a result of the confinement of the concrete. Numerical calculations are compared with experimental results to determine the global kinetics, the consequences of the chemical reactions, the residual concentrations of both reactive silica and alkalis, the pressure developed, the expansion, the mechanical damage, and the crack lengths.