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Pétrographie appliquée à l'alcali-réaction

André LE ROUX Jeanne-Sylvine GUEDON

Jean THIEBAUT Chantal WACKENHEIM

Mars 1999

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées 58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15

André LE ROUX Directeur de Recherche au LCPC Animateur du groupe d'experts alcali-réaction Chef de la Section Géologie et Matériaux Naturels

Jeanne-Sylvine GUEDON-DUBIED Docteur en pétrographie Volcanologie Ingénieur des TPE Section Géologie et matériaux Naturels

Jean THIEBAUT Professeur des Universités Doyen Honoraire de l'Université de Franche Comté

Chantal WACKENHEIM Ingénieur de Recherche Laboratoire de pétrographie et Minéralogie Université de Franche Comté

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Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Bureau de diffusion de I'IST 58, boulevard Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15 Téléphone 0140435226- Télécopie 0140435495

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© 1999- LCPC

SOMMAIRE

Résumés....................................................................................... 5

Présentation .......................................................................... · · . . . . . .. 7

1 Chapitre 1: PRESENTATION RAPIDE DE L'ALCALI-REACTION. 1

I LE MATERIAU BETON ......................................................................... 9

Il CAUSES, NATURE ET ETENDUE DES DESORDRES ....................... 12 II -1 La notion de pessimum II-2 Les manifestations de la réaction II-3 L'importance des désordres

III LE DIAGNOSTIC DE LA REACTION................................................. 17

Chapitre 2: NOTIONS ELEMENTAIRES DE PETROGRAPHIE DESTINEES A LA CARACTERISATION DES ROCHES ET

MINERAUX CONSTITUANT LES GRANULATS.

I LES ROCHES MAGMATIQUES ......................................................... 21 1-1 Les minéraux constitutifs I-2 Caractères structuraux des roches magmatiques I-3 Principaux granulats d'origine magmatique

Il LES ROCHES SEDIMENTAIRES ....................................................... 40 II-1 Les minéraux spécifiques des roches exogènes II-2 Les roches détritiques II -3 Les roches d'origine chimique et biochimique

III LES ROCHES MET AMORPHIQUES........................................ ..... ... . so III-1 Les facteurs du métamorphisme III-2 Les minéraux des roches métamorphiques III-3 Les granulats de roches métamorphiques

N DEFORMATIONS, ALTERATIONS ................................................... ss IV-1 Les déformations dues à la tectonique IV-2 Les processus d'altération ......................................................... . IV-3 Diagénèse et mécanismes associés ............................................ .,

1 Chapitre 3: LES GRANULATS A BETON 1

I ECHANTILLONNAGE ET PRELEVEMENT DES ROCHES ............... 69 I-1 Organisation de la démarche I-2 Echantillonnage de granulats élaborés I-3 Echantillonnage d'un gisement de roches massives en place I-3-A Cas d'un gisement vierge ou d'une partie de gisement inconnue I-3-B Cas d'un gisement en cours d'exploitation I-4 Echantillonnage de gisement de roches meubles 1-4-A Gisement vierge ou présentant des risques de variations horizontales de faciès significatifs I-4-B Gisement ouvert I-5 Echantillonnage pour laboratoire I-5-A Traitement de l'échantillon global pour le laboratoire

Il REACTIVITE LIEE AUX ROCHES ........................................................ 69 II-1 Facteurs structuraux II-2 Composition chimique

III REACTIVITE LIEE AUX MINERAUX DU GROUPE DE LA SILICE ..... 74

III-1 Le quartz III-2 Cristobalite-Tridymite UI-3 La calcédoine JJI-4 L'opale III-5 Les verres siliceux

N ASPECTS MICROSCOPIQUES .......................................................... 74

IV-1 Quelques aspects de l'altération de minéraux N-1-A Exemple de l'altération des feldspaths IV-2 Incidence de l'état d'altération des minéraux sur leur réactivité potentielle IV-2-A Relation entre altération des minéraux et production de produits de réaction en milieu alcalin IV -3 Les défauts de la silice IV-3-A Extinction ondulante IV-3-B Micro-quartz de bordure IV-3-C Phénomènes de dissolution par pression IV-3-D Les structures symplectiques IV-3-E Les structures sphérolitiques IV-4 Conclusions

Chapitre 4: CARACTERISATION DE LA REACTIVITE DES GRANULATS A L'AIDE D'ESSAIS NORMALISES

I LES ESSAIS NORMALISES ................................................................. 93 1-1 Mesure de dissolution de la silice I-1-A Test cinétique. Réactivité potentielle de type alcali-silice et alcali­silicate, P 18-589. I-2 Mesures de variations dimensionnelles sur éprouvettes de mortier ou de béton I-2-A Essai sur mortier: P 18-585 I-2-B Essai sur béton: P 18-587 1-2-C Essai sur mortier MICROBAR: P 18-588 I-2-D Essai accéléré à l'autoclave sur mortier: P 18-590

Il AUTRES ESSAIS DE QUALIFICATION .............................................. 96 Il-l Principaux essais étrangers ll-1-A Essai ASTM C227 II-l-B Essai NBRI ou «essai Sud Africain'' II-1-C Essai« Tang» II-1-D Essai « Nishibayashi » II-l-E Essai « Tamura »

Résumé------------------------------------

Pétrographie appliquée à 1' alcali-réaction

André Le Roux, Jearme-Sylvine Guédon, Jean Thiebaut, Chantal Wackenheim

Si l'alcali-réaction n'est pas la première cause de désordre des ouvrages en béton, elle est vécue, par les gestiormaires d'ouvrages comme une infirmité qu'il est difficile de combattre lorsqu'elle est déclarée, par les entreprises et les maîtres d'œuvre comme la traduction d'une certaine légèreté dans le choix des constituants du béton voire dans leur mise en œuvre.

De fait, l'alcali-réaction trouve son origine dans la réponse qu'apportent certains minéraux au déséqui­libre dû au caractère très alcalin du milieu béton. Aussi, il est apparu comme très important d'engager une démarche préventive associée à un processus d'identification du risque. La pétrographie est l'outil incontournable qui autorise à la fois une reconnaissance rapide des espèces réactives, de leur abon­dance et de leur accessibilité aux solutions agressives du béton

Le premier chapitre présente de façon succincte le matériau béton et les principaux paramètres qui conduisent à l'apparition des désordres. Une place particulière est faite à la notion de pessimurn qui est un des caractères qui rendent ces réactions complexes. Sont présentes également, les manifestations de la réaction, son extension en France ainsi qu'une méthode capable d'apprécier l'intensité des désordres

Le deuxième chapitre à l'aide d'illustrations présente les notions élémentaires de pétrographie, simple appel, elles devraient néanmoins permettre aux non-spécialistes de ne pas s'égarer dans le maquis des roches et des minéraux.

Les très nombreuses illustrations de ces deux prerrùers chapitres aideront le lecteur à mieux reconnaître les différents indices qui vont donner aux minéraux leurs caractères réactifs et à rrùeux identifier les dif­férents produits issus de la réaction.

Le troisième chapitre, après avoir rappelé qu'une bonne caractérisation nécessite en prerrùer lieu un échantillonnage rigoureux, présente les caractères qui vont faire d'un minéral une source potentielle de silice aisément disponible dans le milieu béton. Cet aspect est celui qui, vraisemblablement, sera le plus utile aux spécialistes.

Un dernier chapitre présente les essais normalisés de caractérisation de la réactivité potentielle aux alcalins. Ces essais sont le complément indispensable de la détermination pétrographique, et pour cer­tains, leur domaine de validité réduit impose une caractérisation préalable de la roche, seule façon de choisir l'essai le mieux adapté au matériau

Abstracl----------------

Petrography applied to alkali reaction

André Le Roux, Jeanne-Sylvine Guédon, Jean Thiebaut, Chantal Wackenheim

While alkali reaction is not the leading cause of disorders in concrete structures, it is experienced by infrastructure managers as a ailment ctifficllit to combat once it has broken out, and by contractors and construction authorities as the reflection of a slight carelessness in the selection of concrete constituents and even in concrete placement.

In fact, alkali reaction stems from the response of certain materials to the disequilibrium resulting from the very alkaline nature of the concrete medium. It has thus been found very important to apply a pre­ventive approach associated with a risk identification process

Petrography is the indispensable tool which allows fast recognition of reactive substances, the ir propor­tions and their accessibility to the agressive solutions of concrete.

The first chapter looks briefly into concrete as a material and the main parameters that lead to the appea­rance of disorders. Particular attention is given to the notion of pessimum which is one of the factors that make such reactions complex. Also described is the intensity of the disorders.

The second chapter deals, by me ans of illustrations, with the basic notions of petrography. Intended as a simple review, they should nevertheless enable non-specialists to find their way through the jungle of rocks and minerais.

The large number of illustrations in the first two chapters will help the reader to better recognize the dif­ferent indices that will give the minerais their reactive characteristics and to better identify the various products resulting from the reaction.

The third chapter, after painting out that proper characterization calls primarily for rigorous sampling, describes the characteristics that will make a mineral a potential source of silica readily available in the concrete medium. 'This aspect is the one which will probably be the most useful to specialists

A frnal chapter deals with the standard tests for characterizing potential reactivity to alkalies. These tests are the indispensable complement ofpetrographic determination and, for sorne, their narrow field ofvali­dity calls for prior characterization of the rock, the orùy way to choose the test best suited to the material.

Présentation

J.F. Coste* IGPC

Peu de temps après avoir pris mes fonctions au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées en 1987, j'ai été confronté au phénomène de l'alcali-réaction dans les bétons. J'ai du faire appel aux spécialistes pour développer des méthodes de détection préventives afin de répondre aux besoins des Maîtres d'œuvre et des Professions concernées. J'ai conservé depuis pour ce sujet un certain attrait. Aussi, c'est avec plaisir que je présente, en même temps que leurs auteurs, cet ouvrage consacré à l'application de la pétrographie aux phénomènes liés à l'alcali- réaction.

Le titre de l'ouvrage indique clairement que la pétrographie est ici considérée comme un outil destiné à comprendre les réactions qui peuvent intervenir dans l'évolution 'du matériau béton. Trop longtemps, le béton a été vu comme un matériau simple, sans problème, indestructible, peu soumis aux aléa du temps. C'est en réalité un matériau complexe, souvent tolérant mais toujours exigeant, et la recherche des performances le rend parfois vulnérable.

La nécessité de mettre au point une démarche préventive pour se prémunir contre les risques de désordres a été l'occasion pour André Le Roux, dès 1989, au sein du comité technique sur l'alcali­réaction de montrer l'importance de la pétrographie. Progressivement, elle s'est révélée être un outil essentiel pour orienter la qualification des granulats vers l'essai de diagnostic le mieux adapté, mais aussi pour aider à l'explication des désordres qui trouvent leur origine dans les réactions internes du béton.

La pétrographie telle que je l'ai découverte est une des disciplines de la géologie qui fait appel à la fois aux qualités du naturaliste; à savoir l'observation et la recherche de la genèse des phénomènes à partir de leur examen. C'est aussi une science de la mesure et de la précision qui sont les qualités des sciences exactes appréciées des ingénieurs. La caractérisation pétrographique indispensable au diagnostic exige du pétrographe qu'il ait une bonne connaissance des réactions chimiques et en particulier des formes ou des espèces minérales qui peuvent entrer en réaction. C'est cette connaissance que les auteurs ont acquise et qu'ils se sont proposés à partir de 1995 de mettre en forme pour aider à réduire les risques et expliquer les causes de désordres constatés.

Le Professeur Jean Thiébaut, Président Honoraire de l'Université de Franche Comté, a été le premier, alors qu'il était encore jeune Chef de Travaux à la Sorbonne, à initier André Le Roux à la détermination des roches au microscope polarisant. Il est un des rares universitaires et sans doute l'un des tout premiers à avoir développé un enseignement de la pétrographie où sont associés le caractère fondamental de la reconnaissance des roches et des minéraux et l'application à un matériau considéré comme banal : le béton. Il a été secondé dans cette tâche par Chantal Wackenheim, Ingénieur de recherche.

Au sein du LCPC, les travaux d'André Le Roux ont été repris et sont désormais développés par Sylvine Guédon-Dubied, Ingénieur des TPE mais pétrographe de formation. Celle-ci apporte à cette recherche ses compétences et son enthousiasme. L'ouvrage lui doit l'essentiel de ses illustrations.

Je suis certain que la démarche, telle qu'elle est présentée, rendra service à bon nombre de chercheurs, d'étudiants, et aussi d'ingénieurs ou de responsables de carrières qui ont le souci de la connaissance de leur matériau.

* Directeur du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées de 1987 à 1997 Président du Comité français Alcali-Réaction

Chapitre 1: PRESENTATION RAPIDE

de L'ALCALI-REACTION

Ce fut probablement R.J. Holden qui observa le premier? en 1935, la présence de

réactions chimiques dans les bétons, entre les ciments et certains granulats.

Ensuite Kammer et Carlson constatèrent également l'existence de désordres, mais c'est

Stanton qui précisa le premier (1940) la nature des réactifs en cause dans les

perturbations observées : les réactions se produisant entre les alcalins du béton et

certains types de granulats. Elles furent connues sous le nom de "Réaction Alcalis­

Granulats" (RAG) traduction de l'expression anglaise (alkali- aggregates reaction).

Depuis la découverte de ces phénomènes, la liste des ouvrages et des édifices en béton

attaqués par cette réaction chimique n'a cessé d'augmenter. Cette réaction est à présent

décelée dans la plupart des régions du monde et représente au Canada la première cause

de destruction de structures en béton. Depuis la création du Comité Technique Français

"Alcali-Réaction" en août 1989, on parle généralement d'alcali-réaction, mais il faut noter

que si des réactions d'expansion "alcali-silicates" ou "alcali-carbonates"

(dédolomitisation de carbonates impurs par attaque alcaline puis hydratation des argiles

libérées) existent, dans la majorité des cas, l'alcali-réaction désigne une réaction

chimique, souvent à l'origine d'une expansion, mettant en jeu les alcalins présents dans

les solutions fluides du béton et certaines formes de silice soluble, ceci quel que soit le

granulat considéré ; c'est pourquoi, on assimile souvent l'alcali-réaction à la réaction

alcali-silice.

1 LE MATERIAU BETON

Le matériau béton peut être comparé corrune certains le font à "un opus incertum

tridimensionnel". Cette présentation est intéressante car elle fait apparaître la nécessité, pour

que la cohésion se réalise, et donc que le matériau ait les caractéristiques mécaniques que

nous lui connaissons, que se réalisent des liaisons entre les différents éléments constituant le

matériau. On peut, plus simplement, dire qu'un béton est formé d'un squelette granulaire,

constituant la charpente, d'un liant, qui est le résultat de l'hydratation du ciment et enfin

d'une phase liquide interstitielle située dans la porosité du matériau.

• -Le liant assure la cohésion de l'ensemble granulaire. C'est toujours un ciment mais

les variétés sont nombreuses et leur implication dans l'apparition et le développement de

l'alcali-réaction dépend à la fois du type de ciment ( CPA, CPJ, CLK ..... ),mais aussi pour un même type, de sa teneur en alcalins que l'on exprime le plus souvent en équivalent Na

20

jNa20 .;q = Na20 + 0,658 K20 /

où 0,658 correspond au rapport des masses molaires Na20/~0.

9

Dans la pratique, les alcalins peuvent provenir du dinker et des additions.

Dans l'état actuel des connaissances, on admet que la proportion "d'alcalin équivalent actif"

ou plus simplement, "d'alcalin actif" A est égale à:

* pour les laitiers As 0,50 as * pour les fines calcaires AL 0,50aL

* pour les cendres volantes Av 0,17 av

* pour les pouzzolanes Az 0,17 az

• pour le clinker AK = 1,00 aK

• pour le gypse AG = 1,00aG

Cependant, il est intéressant de noter que l'influence de la teneur en alcalins d'tm ciment classique,

type Portland, sur le pH de la phase liquide de la pâte est faible (1/2 unité pH ): cette demi unité

pH peut être toutefois suffisante, comme nous le verrons, pour accroître très sensiblement la

quantité de silice passant en solution.

• ciment à faible teneur en alcalins

• ciment à forte teneur en alcalins

pH= 13,2

pH= 13,8

Le ~ 1 suivant montre pour divers ciments, d'une part la variabilité des teneurs en

alcalins totaux , d'autre part la quantité d'alcalins disponibles (mis en solution et dosés

après une heure).

Ciments Résistant Obtenu

aux à partir

sulfates de F* cas de ciments divers (faibles à fortes teneurs )

A (0.16) B (0.82) c (0,62) D (0.85) F (1,02) G (0.58) F (1.30)' alcalins totaux en% • Na

20 0,04 0,33 0,48 0,25 0,24 0,26 0,33

• K20 0,18 0,75 0,21 0,91 1,18 0,49 1,50

• Na20 éq 0,16 0,82 0,62 0,85 1,02 0,58 1,30

alcalins disponibles en % • Na

20 0,04 0,28 0,39 0,19 0,21 0,17 0,28

• K20 0,10 0,53 0,13 0,58 0,53 0,36 1,25

• Na,p éq 0,11 0,63 0,48 0,57 0,82 0,41 1,10

*Calculé à partir de F (1,02) (avec addition de Na et K).

En fait seulement 63 à 85 % du total des alcalins participent à la réaction. On peut estimer

que les alcalins sont utilisés progressivement dans la réaction.

10

Les alcalins peuvent aussi provenir des adjuvants, de l'eau et enfin des gramùats. Dans ce

cas, tous les alcalins ne participent pas à l'alcali-réaction car certains peuvent rester piégés

dans le réseau cristallin des minéraux. Par convention, le Comité Teclmique Français alcali­

réaction a décidé que les alcalins actifs des granulats sont conventionnellement les alcalins

solubles mesurés à l'échéance de 7 heures suivant le mode opératoire LPC Ne 37. Les teneurs

en alcalins liées aux granulats peuvent varier très largement suivant les matériaux.

7a&ear.t 2: Alcalins actifs et totaux de quelques roches utilisées comme granulats

Cakaîre Rhyolite élements du deLa

dosés en% BoulormaiS Martinique

Na20 total 1,15 3,24

Na2o soluble 0,001 0,059

K20 total 0,37 4,58

1<,_0 soluble 0,007 0,018

Na,O Eq' --Total en% 1,39 6,25

~Actif en% -0,006 0,07 -Actifen~T -60 700

ALCALINS Actifs suivant MO LPC 37

-,

• g.-.s ·-· • comMmoS

m eom....,.~ • Amphit>ol~os m Amphit>ollloAJ

IJ OIIU!zlloS

m a .. -AJ

-, 1

i IÎ IlL.:-,

Silex opalin >a,ble ü':e Sable Quartzite et de de de

calcédonique Waben St Pierre Loire V ignat

0,26

0,001

0,21

0,001

0,398 -0,001

-10

-~c 0,05 0,10 1,70 0,11

0,002 0,001 0,002 0,001

0,03 0,30 4,48 0,38

0,001 0,002 0,03 0,005

0,069 0,29 4,64 0,36

-0,003 -0,002 0,021 0,004 -30 -20 210 40

~ 1: Distribution des alcalins actifs

extraits suivant le mode opératoire décrit

dans le document "Recommandations pour

la prévention des désordres dus à l'alcali­

réaction". On note des différences sensibles

en fonction des types de roches et de leur

état d'altération.

-Le squelette granulaire est le plus généralement constitué par les granulats, [gravillons

(5 mm -20 mm) et sables (0, 1 mm- 5 mm)] mais de plus en plus souvent on complète ces

deux classes granulaires par une troisième qui aura une étendue telle que la compacité sera

largement améliorée. Ce sont en général des produits ultra-fins qui du fait même de leur

dimension peuvent développer des effets pouzzolaniques augmentant ainsi les

caractéristiques mécaniques du matériau (travaux de F. de Larrard au LCPC). Suivant les

cas, ces additions seront considérées comme des granulats ou seront partie intégrante du

liant.

Les granulats qui entrent dans la composition des bétons ont des origines variées. lls se

différencient par leur genèse? leur nature pétrographique et leurs conditions de gisement.

Dans le chapitre suivant nous donnons les notions élémentaires qui permettront aux non­

spécialistes de suivre et de comprendre la démarche d'identification du pétrographe.

11

ll CAUSES, NATURE ET ETENDUE DES DESORDRES

Les alcali-réactions dans leur globalité peuvent se définir comme la réponse des

minéraux à un déséquilibre avec leur milieu ambiant, milieu dans lequel règne un pH souvent

supérieur à 13. Ce sont des réactions chimiques solide-liquide dans lesquelles la phase solide

est constituée par le granulat et la phase liquide par la solution interstitielle fortement

alcaline du béton. Ces réactions se caractérisent par le fait que la partie réactive des

granulats est irrégulièrement distribuée d'une part, et en faible quantité d'autre part. Enfin, la

solution agressive est contenue dans la microporosité du matériau, de ce fait, elle est elle­

même distribuée de façon hétérogène. On est donc conduit à admettre que les observations

que l'on peut faire sur un ouvrage sont le résultat moyen des effets localisés de la réaction.

On admettra également que la réaction observée en un point donné du béton peut être dans

un état d'avancement bien différent de celle que l'on peut observer en un '.I.Utre point. On aura

donc des produits différents par l'âge (plus ou moins évolués) ou par la nature de la réaction

(rapport local Si02

/alcalins). Les conditions qui gouvernent la réaction sont l'abondance et

la réactivité des espèces minérales, la quantité d'alcalins et la présence d'eau. En effet, rien ne

se passerait sans eau, une humidité relative de 80% minimum est indispensable au

développement de la réaction.

II 1- La notion de pessimum

Une série d'expériences a mis en évidence la notion de conditions pessimales. Ces dernières

délimitent deux zones distinctes dont un domaine hors risque et un domaine où la réaction

sera destructrice. Le graphique de la ~ 2, extrait des travaux de recherches réalisés au

LCPC, met en évidence la complexité des phénomènes mis en jeu dans ce type de réaction.

Le choix de l'opale s'explique par le fait que, parmi les matériaux réactifs, c'est avec l'opale

qu'ont été constatées à la fois les expansions les plus importantes mais aussi les plus

rapiders_·--,-------,-------r-------r-----~~-----t---,

0:: w ;:: 0:: 0

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~ 0 c œ "C

w -' .. c. 0 5 ë ...

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2% Na20 eq

?~ 2 .. Mise en évidence des phénomènes mis en jeu dans la réaction

12

0,05%

0,1%

0,5%

1%

2%

3%

Cette série d'essais montre qu'il existe un domaine actif et un domaine passif de part et

d'autre d'une droite qui s'aligne parallèlement à la courbe correspondant aux points

d'expansion 0,05%.

Dans la zone active, on constate que les allongements sont une fonction du couple

teneur en granulats réactifs, teneur en alcalins du mélange. On retrouve bien, de cette façon,

la zone dans laquelle se situe la valeur pessimale de l'opale telle que mentionnée dans la

littérature, soit: 3 à 7% d'opale. Cette valeur dans notre cas est centrée sur 5 %, mais elle ne

peut être dissociée d'une teneur en alcalins actifs qui est, pour ce matériau, de 1,2 %exprimée

en alcalins équivalents. Cette valeur est à rapprocher de la teneur en alcalins exigée dans

certains essais normalisés de diagnostic des granulats.

Pour des teneurs faibles en matériaux réactifs ( entre 0 et 5 %),on peut constater que la

surface couverte par le domaine "hors risque" est beaucoup plus fatble que celle qui

correspond à l'existence de gonflements. Cette constatation tend à montrer que, même pour

de faibles valeurs de la teneur en alcalins actifs, le risque d'apparition de désordres est bien

présent dès lors que les matériaux montrent une réactivité importante.

Pour des teneurs courantes en alcalins des bétons, c'est-à-dire comprises entre 0,6 et 1 %, ce

qui, dans la pratique, implique des ciments dont les teneurs vont de 0,45 à 0,85 %, nous

constatons que, pour des matériaux à forte réactivité, le risque apparaîtrait dès 1% de

matériaux réactifs et ne s'estomperait que pour des teneurs supérieures à 15% .

Enfin, cette étude nous a permis, grâce aux analyses effectuées à divers niveaux de

l'éprouvette, de mettre en évidence le comportement hétérogène des mortiers étudiés.

Cette dernière constatation montre que, dans une éprouvette et à fortiori dans un ouvrage,

même si les conditions, mesurées globalement, sont éloignées des conditions pessimales, elles

peuvent être localement très proches et dans ce cas, en un point particulier, la réaction

apparaîtra mais trop ponctuelle pour causer des dommages à la structure. Cette

constatation est en quelque sorte une mise en garde contre une tendance trop rapide à

qualifier de réactive une formulation de béton sur la base des seules observations de "gel" de

réaction.

Une observation minutieuse réalisée au Microscope Electronique à Balayage

peut montrer des gels de réaction, il faut se garder d'en tirer des conclusions

quant à l'état du béton. Par contre, si une structure dégradée présentant une

fissuration évolutive montre à l'observation des produits de la réaction alors o n

est bien en présence d'une alcali-réaction dégradante.

II- 2 Les manifestations de la réaction

L'évidence de l'existence d'une alcali-réaction peut être détectée parfois seulement après 1 ou 2 ans

de service d'un ouvrage nouvellement construit (Afrique du Sud, Canada) mais, en général, c'est

une réaction lente qui peut mettre plusieurs années à se manifester, parfois même plusieurs

13

dizaines d'années. Cependant, dans la majorité des cas, une fois la réaction amorcée, celle-ci peut

se développer de façon sensible pendant un très grand nombre d'années ; Duncan estime qu'elle

peut ainsi affecter un ouvrage pendant une trentaine d'armées ou plus. C'est en particulier ce que

l'on constate sur le barrage de Chambon-sur-Romanche qui a présenté les premières dérives au

début des annees 60 et dont le -béton continue à "gonfler" en 1995, plus de 60 ans après sa

construction.

Dans les premiers stades, les signes classiques du développement de la réaction sont

l'apparition de très fines et courtes fissures multidirectionnelles affectant l'ensemble de l'ouvrage.

A un stade plus avancé de la réaction, on constate à la fois une augmentation progressive

de l'ouverture des fissures, une densification du réseau et une possible exsudation de gel sur toute

la surface de béton qui donne une impression d'humidité se manifestant par de très nombreux

suintements de la surface. Le développement des fissures s'accompagne d'une expansion générale

du béton, cette dernière est consécutive à l'accroissement quantitatif et volumique des fissures.

L'importance des fissures étant directement reliée au stade du développement de la réaction,

plusieurs auteurs ont essayé de définir une échelle du degré de la réaction en fonction des fissures

(X).

Le tatte- S ci-dessous propose une échelle qui a le mérite d'être facile à obtenir mais qui présente

l'inconvénient de ne pas rendre compte du degré réel d'endommagement.

7al4aa3'

Importance

décroissante du

degré dela

réaction

- 5 fissures de 2 rrun ou plus de largeur.

- 4 fissures très bien marquées.

- 3 fissures bien marquées, spécialement

adjacentes aux joints.

- 2 petites fissures colorant en sombre le béton sur leur

périphérie.

- 1 petites fissures visibles.

-0 rien.

Cette fissuration anarchlque que l'on voit particulièrement bien développée dans les

illustrations suivantes (~ 4 à. 6). peut être associée à la présence de petits cratères ou

"pop out", il peut même arriver que ces derniers soient la seule manifestation visible de

l'existence de la réaction.

La~ 5 intéresse un béton réalisé avec un granulat carbonaté. La~ 6 présente un béton

extrait d'un ouvrage réalisé avec des granulats silicatés. Sur cette image les produits de la

réaction sont mis en évidence par une de leur propriété, d'être fluorescents sous tm

rayonnement UV dur, après pulvérisation avec un réactif à base d'acétate d'uranyl. Nous

pourrions multiplier les exemples où interviennent des natures de roches différentes. n n'y a

donc pas d'exclusive et nous pouvons écrire que la presque totalité des roches est susceptible

de donner naissance à une réaction. Toutefois, il convient de distinguer réactivité et

pathologie ; si beaucoup de roches apparaissent réactives, le caractère pathologique ne se

14

développe que dans certaines conditions. Ce sont précisément les causes qui conduisent à

l'apparition des désordres qui nous intéressent et que nous préciserons au fur et à mesure.

IT-3 L'importance des désordres

En France, à la fin des années 1980 on pouvait estimer à une centaine les ouvrages atteints et,­

pour l'essentiel, la réaction semblait se circonscrire à l'lle de France, aux régions Nord-Pas­

de-Calais, et à la Bretagne. Depuis, de nombreux cas sont venus grossir la liste des ouvrages

malades. Cet accroissement reflète en partie l'amélioration de nos méthodes de diagnostic,

mais aussi la prise de conscience du risque et donc la recherche plus systématique des

ouvrages susceptibles d'être atteints.

La carte de la 619- 3 présente l'état actuel du développement de la réaction . Elle

appelle deux remarques préliminaires:

1) Là où aucun cas n'est signalé, c'est bien souvent parce qu' aucrme étude n'a été entreprise .

2) Les barrages malades à deux exceptions près étaient déjà connus à la fin des années 1980.

Cette carte se modifie pratiquement chaque année à mesure que progressent notre

connaissance du phénomène et l'efficacité de nos méthodes de diagnostic.

Très globalement, on peut écrire concernant la France métropolitaine:

- 200 000 ouvrages routiers sont en béton, environ 400 ont subi des dégradations

susceptibles d'être dues à l'alcali-réaction, près de 200 sont reconnus officiellement comme

étant atteints par le phénomène, enfin, 3 ont dû être reconstruits.

Quantitativement, l'importance du phénomène est toute relative : de l'ordre de deux

pour rrûlle. Malgré cela les ouvrages atteints posent des problèmes difficiles de gestion, car

aucune solution éprouvée n'existe actuellement pour réparer les structures malades ni arrêter

définitivement l'évolution des désordres.

Les réactions que l'on peut schématiquement définir comme des réactions

d'incompatibilité ciment-granulat sont plus ou moins développées suivant la nature des

granulats, le type de ciment mais aussi suivant les conditions de milieu, c'.est-à-dire

l'environnement du béton et plus simplement l'humidité et la température. Les plus fréquentes

sont les réactions alcali-silice, la silice pouvant provenir de granulats totalement siliceux,.

silicatés ou encore calcaires. Dans ce cas, la silice constitue une espèce minérale secondaire

sous forme de grains de quartz associés ou non à des réseaux de silice diffuse. Si le calcaire

ne contient pour toute silice que des grains de quartz, la réactivité sera faible voire nulle ; si

au contraire la silice déterminée à l'analyse chlmique ne peut s'expliquer que par la présence

de phases diffuses, minéralogiquement constituée de variétés réactives alors, on pourra

s'attendre à l'apparition de désordres.

15

ALCALI-REACTION Localisation des cas observés et/ou étudiés

en France (mise ~jour 01 /1995)

importance des désordres

- >100

D de25à100

D de5à25

D delàS

G Barrages

7~ 3: Importance des désordres (nombre d'ouvrages malades)

Nous constatons que toutes les régions ou départements ne sont pas

identiquement touchés par l'alcali-réaction. Le Nord de la France est sensiblement plus

affecté, il en est de même de la Bretagne. Dans un cas ce sont des calcaires qui constihlent la

variété dominante de granulats et dans l'autre des quartzites. Mais tous les calcaires ne

doivent pas être considérés comme des matériaux potentiellement réactifs, il en est de même

des quartzites.

16

Ill LE DIAGNOSTIC DE LA REACTION

La première phase du diagnostic est initiée à la suite de constatations visuelles faites sur

l'ouvrage. Macroscopiquement sur ouvrage qu'observe-t-on? D'une façon systématique, sur

les ouvrages, reconnus victimes de la réaction, nous pouvons observer une fissuration

multidirectionnelle, découpant le parement en polygones de dimensions variables. Souvent on

remarque l'existence d'un réseau principal qui avec le temps se découpe à son tour donnant

naissance à un réseau secondaire. Rappelons que l'ouverture des fissures peut être très

variable, de quelques dixièmes de millimètre à plusieurs millimètres et qu'elles peuvent être

soulignées par des traces d'humidité et/ ou des décolorations. Enfin il est important de

préciser qu'elles sont évolutives, c'est-à-dire que leur ouverture va s'élargir avec le temps. A

cette fissuration sont associés des produits de la réaction qui pourront être identifiés par

diverses méthodes :

La deuxième phase du diagnostic se poursuit sur les prélèvements, le plus souvent

carottés, faits dans les parties atteintes de l'ouvrage. Elle se réalise

- macroscopiquement, directement sur le prélèvements par la méthode de fluorescence

des ions uranyl méthode LPC n°36. La description de cette méthode fait l'objet d'une

publication décrivant le processus opératoire. Elle est depuis quelques années de pratique

courante du fait d'une grande facilité de mise en oeuvre, d'une rapidité et d'une fiabilité

excellentes. La ~ 6 en montre un exemple.

- Au microscope électronique à balayage par la présence de zones craquelées, lisses,

mamelonnées ou en rosettes, visibles le plus souvent au contact de granulats, sable ou

gravillons, mais pouvant parfois dans les cas les plus avancés, injecter la pâte. Ces produits

de la réaction sont communément appelé des "gels"~ 4.

"?~ 4 : Aspect classique des produits de la réaction.

17

Le gel lisse est la manifestation

la plus fréquente de l'alcali­

réaction. Sur cette image, il est

possible d'apprécier

l'épaisseur de la couche de

"gel"

'lûJu= S : Dégradations dans un ouvrage dont le béton est réalisé avec des granulats calcaires.

On remarque le faïençage multidirectionnel en double réseau.

'lûJu= 6 : Microfissuration et gels de réaction matérialisés par la fluorescence jaune des ions uranyl.

18

, , Chapitre 2 , NOTIONS ELEMENTAIRES de PETROGRAPHIE

DESTINÉES à la CARACTÉRISATION des ROCHES et MINÉRAUX

CONSTITUANT les GRANULATS

La plupart des roches qui constituent l'écorce terrestre sont formées par un ou plusieurs

minéraux. On appelle minéral une substance naturelle constituée d'un élément chimique ou de

la combinaison de plusieurs éléments et dotée de propriétés physiques et chimiques définies.

TI faut noter qu'un composé chimique peut correspondre à plusieurs minéraux, mais les

propriétés physiques sont différentes : par exemple CaC03

correspond à deux rninéraux

différents de par leurs propriétés physiques : la calcite et l'aragonite.

L'immense majorité des minéraux est cristallisée; les méthodes d'investigation de la

cristallographie moderne, l'emploi en particulier du microscope électronique et de la

diffractométrie des rayons X, montrent que beaucoup de :minéraux que l'on croyait amorphes,

c'est-à-dire non cristallisés présentent souvent une cryptocristallinité ; tel est le cas d'une

variété de silice hydratée, l'opale. ll n'en demeure pas moins que, du point de vue qui nous

préoccupe, à savoir la réponse aux agressions alcalines, il n'y a pas grande différence.

Les caractères d'une roche qui doivent être pris en compte dans toute étude en vue de

son emploi dans une application industrielle, sont :

-sa composition minéralogique (d'où l'on peut déduire sa composition chimique),

-sa structure, c'est-à-dire la taille, la forme et l'agencement des minéraux qui la constituent,

-son évolution éventuelle depuis sa mise en place originelle, par exemple les déformations, les

altérations, les modifications de sa composition minéralogique et (ou) chimique.

On distingue habituellement trois grands types de roches :

- Les roches magmatiques : Elles proviennnent du refroidissement, de la cristallisation, et

enfin de la consolidation d'un magma, c'est-à-dire d'un mélange de liquide et de gaz à haute

température. Parmi les roches magmatiques, on qualifie de plutoniques celles qui se sont

constituées lentement en profondeur dans la lithosphère et de volcaniques celles liées aux

émissions volcaniques sous-marines ou sub-aériennes.

19

- Les roches sédimentaires ou exogènes : Elles représentent une pellicule de sédiments

meubles déposés à la surface de la terre ou au fond des mers, elles sont exploitées dans des

gravières ou ballastières. Les roches sédimentaires sont aussi des roches cohérentes qui

trouvent leur origine dans la mise en jeu de processus, tels que la diagénèse, qui

apparaîssent au cours de la compaction des sédiments meubles.

- Les roches métamorphiques : Elles peuvent être d'anciennes roches d'origine

magmatique (on parlera par exemple d'un ortho-gneiss lorsqu'il a pour origine un

granite) ou sédimentaire (on parlera d'un para-gneiss lorsqu'il provient d'une pélite)

soumises à des températures et (ou) à des pressions très différentes à la fois de celles qui

ont présidé à leur édification primitive et des conditions d'altération superficielle.

20

ILES ROCHES MAGMATIQUES

I -1 Les Minéraux Constitutifs

L'immense majorité des minéraux des roches magmatiques est constituée par des

silicates ou des alumino-silicates. Certains sont dépourvus de Fe et de Mg et ont des teintes

claires (quartz, feldspaths, feldspathoïdes (ou foïdes) et micas blancs, d'autres ont une

couleur plus sombre et nne densité légèrement plus élevée (micas noirs, pyroxènes,

amphiboles, péridots). Ces minéraux sont dits "fondamentaux", parce qu'ils sont rm des

critères indispensables à toute classification.

Un second groupe est constitué par des minéraux "accidentels", ils peuvent être

totalement absents d'une roche donnée ou, au contraire s'y trouver en grande abondance

(grenat, tourmaline, par exemple). Enfin les minéraux accessoires sont très souvent

présents, sans jouer un rôle au point de vue quantitatif; parmi ceux-ci, certains ne sont pas des silicates, par exemple la magnétite (Fe

30

4), que l'on rencontre dans les basaltes, ou

l'apatite qui est un phosphate de Ca.

Nous nous bornerons ici à étudier les caractères généraux des minéraux fondamentaux.

- Le quartz. Sa formule est Si02

• A l'échelle atomique il est constitué par une charpente de

~ ~

tétraèdres réguliers dont le centre est occupé par un ion Si et chaque sommet par un ion 0

Chaque sommet est commun à deux tétraèdres voisins, d'où la formule Si02• La distance Si-0

est toujours la même et égale à 1,60 À.Très dur, il raye l'acier et est très résistant aux agents

d'érosion (~ 7J.

0' • Si +4

Schéma de l'unité structurale: le tétraèdre Si04

est pratiquement symétrique, la

distance Si-0 est de 1,62 À (1 À~ 1/ 10 000 ~rn)

La maille élémentaire ( a = b = 4,903 A, etc = 5,39 À) contient 3 atomes de silicium et 6

atomes d'oxygène.

Le tétraèdre Si04

est la brique qui va servir à la construction d'une grande partie des

silicates, le silicium pouvant y être substitué par l'aluminium.

Un autre élément important est l' octaédre.

21

Schéma montrant la disposition des atomes de la maille

- Les feldspaths constituent un groupe de minéraux appartenant aux tectosilicates. Assez

difficiles à reconnaître les uns des autres à l'œil nu, leur détermination devient beaucoup

plus aisée à l'échelle microscopique. On distingue(~ i et 9):

Les feldspaths alcalins

orthose

microcline

albite

} 6 Si02Al,O,K,O ou [Si, Al08] K

6 SiO, Al20 3 Na,O ou[Si,AIO,] Na

La présentation en oxydes nous montre que la proportion de molécules de Si02 par

rapport à l'ensemble est de 6/8, Si02 étant l'anhydride de l'acide silicique Si03H 2• On dit

que ces feldspaths sont acides.

Il faut se garder de confondre cette acidité avec celle dont parle le chimiste et qui s'exprime

en unités pH. Elle traduit seulement le fait que la silice est dominante dans le minéral.

Les feldspaths calco-sodiques ou plagioclases

Ils correspondent à une série isomorphe continue dont les deux extrêmes sont :

l'albite 6 Si02 Al20 3 Na20, qui fait la liaison avec le groupe précédent et

l'anorthite 2 Si02 Al20 3 CaO.

Le pourcentage de Si02 diminue progressivement.

22

Chaque terme intermédiaire est exprimé en pourcentage d'anorthite An%, p.e. An35 signifie

que le plagioclase a une composition de 65% d'albite et 35% d'anorthite (~ 10).

On peut expliquer facilement la structure atomique des feldspaths en partant de celle

du quartz.

Tous les quatre tétraèdres Si04, l'un d'entre eux a pour centre un ion Al au lieu d'un ion

Si; on a donc un assemblage de type [Si3Al08] au lieu de [Si40 8} qui correspond au quartz ; 3+ .4+

par contre Al est trivalent tandis que S1 est quadrivalent. Le déséquilibre des valences

sera compensé par l'adjonction d'un cation monovalent K ou Na d'où les formules structurales :

orthose, microcline

albite

[Si,Al08] K

[Si3Al08] Na

Dans le cas de l'anorthite, deux ions Si dans quatre tétraèdres seront remplacés par 2

ions Al, créant un déficit de deux valences équilibrées par un cation bivalent Ca2+.

anorthite [Si, Al,08] Ca

Les ions K, Na, Ca, de gros diamètres, se logent dans les cavités de la structure, car ils

ne peuvent entrer dans les tétraèdres ou dans des octaèdres.

Les feldspaths sont un peu moins durs que le quartz bien qu'ils rayent l'acier, leurs

cristaux sont brillants par suite de plans de clivages bien développés. lls sont altérables par

hydrolyse (action des ions H+ contenus dans l'eau).

- Les feldspathoïdes ou foïdes

lls ont des constitutions qui rappellent celles des feldspaths mais ils présentent un

déficit en Si02 par rapport à ces derniers(~ 11J.

Les principaux sont: la leucite 4 Si02 Al20 3 K,O [Si2Al06]K

la néphéline 2 SiO, AI,O,Na,O [SiAIO,]Na

Ils ne peuvent coexister avec le quartz car ils réagissent ensembles

-Les micas

Ces minéraux appartiennent au groupe des phyllosilicates, ils se présentent en

paillettes flexibles et élastiques très facilement clivables. On les distingue habituellement

par leur couleur. C'est ainsi que l'on reconnaît :

Les micas blancs alumineux dont le principal d'entre eux est la muscovite fJi9wte 121.

6Si02

3 Al20

3 K,O 2 H

20 [Si

3AI0

10] A~ (OH,F),, K

23

Les micas noirs, ferromagnésiens représentés essentiellement par la biotite, (~ 13)

contiennent moins d'aluminium lequel est partiellement remplacée par Fe et Mg.

L'architecture atomique des micas consiste en un empilement de feuillets élémentaires

constitués par trois couches.

K

60 3Si Al

4 0 20H

2AI

4 0 20H

3Si Al

60 K

Dans la première, tous les tétraèdres Si04

sont associés par trois sommets pour former

un réseau plan; toutes les pointes libres sont dirigées d'un même côté et viennent s'associer à

une couche d'octaèdres; symétriquement une seconde couche de tétraèdres, mais dont les

pointes libres sont en sens inverse de celles de la première, enserrent ainsi la couche

octaèdrique.

Dans les tétraèdres un Si sur quatre est remplacé par un Al, les autres atomes d'Al

dans le cas du mica blanc, de Fe et Mg dans celui du mica noir sont au centre des octaèdres.

Les gros ions K sont situés entre les feuillets élémentaires.

On aboutit ainsi aux formules : muscovite biotite

[Si3A!Ow] Al, (OH)

2 K

[Si3Al0w] (Mg, Fe)

3 (OH), K

- Les pyroxènes forment une famille de minéraux comprenant un grand nombre de variétés

de composition. Ils se présentent en prismes courts avec deux systèmes de clivage faisant

entre eux un angle de 90°. Leur classification complexe est liée à la fois aux systèmes

cristallins et aux variations progressives de composition chimique.

C'est ainsi que l'on distingue: # les orthopyroxènes forment une série isomorphe allant d'un pôle magnésien

(l'enstatite) à un pôle ferreux (l'orthoferrosilite) qui est une variété instable.

Le minéral le plus fréquent est: 1 'hypersthène 2 Si0

2 2 (Fe-Mg)O

# les clinopyroxènes ferromagnésiens et calciques sont classés en fonction des % Ca,

Mg, Fe. Les principaux représentants sont

24

le diopside

l' hédenbergite

2 SiO, CaO Mgü

2 SiO 2

CaO FeO

L'augite a une composition intermédiaire entre diopside et hédenbergite (1'9- 141. Elle

comporte en outre de l'aluminiwn, sa couleur est noire, c'est un minéral fréquent dans les

basaltes.

#les clinopyroxènes alcalins dont le principal représentant est: l'aegyrine

Au point de vue structural, les pyroxènes font partie des silicates en chaîne, chaque

tétraèdre est relié à celui qui le précède et à celui qui le suit par un sommet O. Les deux

autres sommets sont libres d'où la formule de base : 1/2 1/2 2 . 4 SiOOO 0 , c'est à dire -ou encore [S12061 -

Il en résulte pour les trois pyroxènes ci-dessous les formules structurales suivantes:

hypersthène [Si 0,] (Fe-Mg)

diopside [Si, 0.1 Ca Mg

hédenbergite [Si, 0,1 Ca Fe

-Les amphiboles sont chimiquement et structuralement très voisines des pyroxènes, elles

comportent de plus des ions OH-. Elles se présentent en baguettes allongées, voire en fibres.

Les principales sont l'actinote (équivalent des pyroxènes de la série diopside -

!M- /5}.

La stucture peut être regardée comme l'association de deux chaines pyroxènes, les

tétraèdres extérieurs ont deux oxygènes pontants ce qui donne un rapport Si/0 de 1/3.

Les tétraèdres assurant la liaison entre les deux chaines ont quant à eux 3 oxygènes

pontants correspondant à un rapport Si/0 de 1/2,5. De ce fait, la formule structurale sera en [Si 0 ]6-.

' "

25

- Les péridots. Le principal est l'olivine 1~ /6) SiO, 2(Fe-Mg)O ou encore [SiO,]

(Fe,Mg), solution solide entre deux termes la forstérite [SiO,] Mgz et la Jayalite [SiO,] Fe,.

Ces minéraux se caractérisent par une structure en tétraèdres isolés, il n'y a aucun oxygène

pontant. On peut schématiser la structure de la façon suivante.

TAT..Â.T~ , ...... ., ... Structure d'une olivine

tétraèdres dirigés vers le haut

tétraèdres dirigés vers le bas

ions Mg ou Fe

Ces minéraux appartiennent au groupe des nésosilicates.

En font partie également les grenats (~ 17J qui constituent une famille complexe où les substitutions sont nombreuses entre l'aluminium, le fer, le calcium et le chrome.

Le zircon f/19- IFJ appartient aussi à ce groupe.

Les silicates du métamorphisme comme l'andalousite, la sillimanite, la staurotide ont une structure très proche . lls sont rangés dans les subnésosilicates

ILLUSTRATIONS de MINERAUX en LAMES MINCES

26

27

28

"- t S ,. Amphibole (hornblende)

"- f7 , Grenat

29

"- t6 , Péridot (olivine)

I - 2 Caractères Structuraux des Roches Magmatiques

n existe une certaine ambiguïté concernant les termes structure et texture. Le

dictionnaire de géologie donne du terme structure les définitions suivantes:

u Tout arrangement relatif de composants. Cette notion s'applique à n'importe

quelle échelle, et dans un espace à n'importe quel nombre de dimensions ( 1 à 3 pour les

corps réels, davantage en mathématiques).

En géologie, on distingue généralement, selon les composants dont on considère les

relations:

n.~.~~--~~~~~-~~~-.c::~~-~~-~~~~~--(~~~-~-~.1:1:~'- ~y~~~~~~-~~~~~W!l:~).: les composants sont les atomes.

~) --~--~~---~-~~.":l:C::~~~---~~!.l.~:t:~~~---(~~~~~~~---~-C?.~~~~~!l ... ~~~~~~~~-I.l:~! ... ~-~~C::~.l:l:~~~---g~~p~~q~ .. ~/ -~~P.~~~Y.i.q~~!::.·): les composants sont les individus cristallins plus ou moins différenciés.

~L.: ... ~~ .. ~!!.':l.~~~~~ ... ~.~.~ .. !~~.~~~ ... C?.1:1..J~!!~~~~~~ ... P~~.-:~g~~P.~~~1:1.~t .. .!.~~.~~q~~~ ... ~~~~.~~.~~ P.~.~~~!~~~.i.q~~).: les éléments sont des minéraux (exemples structure grenue, microgrenue,

foliée, ... ).

~) .. :-.~~ .. ~~~~~~~.~ .. ~~~.~~!!!.q~~= les éléments sont des ensembles de roches (couches,

massifs éruptifs,. .. ).

?L:.~~.~~~.~~~~~.~.~.8~~~.~.: ici les éléments sont des ensembles distingués par leurs

propriétés élastiques déduites en particulier de la propagation des ondes sismiques".

En pétrographie, l'utilisation en concurrence des termes structure et texture avec pour ce

dernier, en français, un sens identique à celui donné à structure au § 3 ci-dessus rend les

descriptions parfois un peu confuses. Dans la suite de notre propos nous utiliserons le

terme structure tel que précisé en (3).

Les roches plutoniques

La structure des roches plutoniques est dite grenue: tous les rrtinéraux fondamentaux

sont visibles à l'œil nu; cependant il y a des variantes; prenons l'exemple d'un granite :

Dans une structure grenue banale (~ 19} tous les rrtinéraux ont à peu près la

même taille (2 - 3 mm le plus souvent). Au microscope, on peut déterminer l'ordre de

cristallisation des constituants biotite - plagioclase - orthose (ou microcline) - quartz. Le

quartz étant le dernier élément à cristalliser, il n'a pas la liberté de se développer et remplit les

derniers espaces laissés vides d'où son aspect xénomorphe, il est soumis aux contraintes des

rrtinéraux voisins déjà cristallisés, ces contraintes entraînent de légères déformations que l'on

peut observer en étudiant une lame mince de la roche au microscope polarisant. n présente ce qu'on appelle une extinction ondulante fi«J- 201.

30

Dans une structure grenue porphyroïde !1'9- 2/J, une espèce minérale, généralement

l'orthose ou le microcline, forme des cristaux de beaucoup plus grande taille que les autres

(parfois plusieurs centimètres).

Dans la structure des pegmatites, de très nombreux minéraux sont de grande taille,

pluricentimétriques, dans celles des aplites, au contraire le grain est plus fin et le quartz a

cristallisé en même temps que l'orthose.

Les roches volcaniques et hypovolcaniques

On peut, en premier lieu, distinguer celles des roches dont tous les minéraux ne sont

visibles qu'au microscope et celles dont certains minéraux de grande taille (appelés

phénocristaux) peuvent être observés à l'œil nu, au sein d'une mésostase dont la déterrrùnation

est subordonnée à l'examen au microscope. Dans le premier cas on parle de structure

aphanatique, dans le second de structure porphyrique.

A ces caractères s'ajoute obligatoirement l'étude micrographique des mésostases

aphanatiques.

On distingue ainsi les structures microcristallines où le magma a cristallisé très vite au

cours d'un refroidissement rapide. Quand les individus cristallisés sont en très petits grains,

tous de même taille, on parle de structure microgrenue. Parfois, le quartz et le feldspath

forment des assemblages où il y a interpénétration de l'un dans l'autre, cela constitue la

structure micrographique {~ 22).

Dans les roches d'épanchement la structure est très fréquemment microlitique {~ 2SJ,

c'est-à-dire qu'elle est caractérisée par une grande abondance de petits cristaux de feldspaths

allongés appelés microlites. Parfois subsis.te entre ces ~crolites un peu de verre volcanique qui

n'a pas cristallisé, on parle alors de structure hyalo-microlitique {~ 24), si le verre est

abondant la structure est dite semi-vitreuse.

La structure doléritique {~ 2SJ est une structure microcristalline particulière,

caractéristique de certaines laves basaltiques qui se sont refroidies dans des. cheminées

d'ascension des laves ou dans des sites de faible profondeur :les feldspaths forment un réseau

de lattes englobant les autres minéraux (pyroxène p.e.).

Les structures vitreuses (ou hyalines) sont celles où la lave s'est refroidie si vite qu'elle n'a pas

eu le temps de cristalliser. Les roches peuvent être massives (obsidienne, pechstein) ou sous

forme de ponces, ou encore de petites perles.

Un phénomène important est celui de la dévitrification f/i9wre 26). Celle-ci peut suivre

presqu'immédiatement la consolidation du verre et elle se traduit par l'apparition de formes

cristallines très frustes, auxquelles succèdent des globules plus ou moins sphériques de

dimensions souvent plurimillimétriques formés d'une association de fibres de quartz et de

feldspath.

Très souvent cependant la dévitrification ne s'effectue que beaucoup plus tard, par

vieillissement au cours des temps géologiques. Le verre est alors remplacé par tm mélange

cryptocristallin, souvent teinté par des oxydes ferriques et dont la nature exacte est

31

généralement très difficile à déterminer (silice microcristalline, feldspaths, chlorite, argiles,

séricite ... ).

Les structures bréchiques. Les roches pyroclastiques sont formées par Wl agglomérat

de débris de roches volcaniques unis par Wl ciment d'origine volcanique ou exogène (boue

consolidée), quand il s'agit de gros éléments (plus de 3 cm) on parle de brèche s.s., si ceux-ci

sont plus petits (lapillis) de tufs, enfin en dessous de 2 mm (cendres) de cinérites.

A partir des deux critères, composition minéralogique et structure, on peut établir une

classification des roches magmatiques. Dans le tableau ci-après nous avons écrit en caractères

gras celles des roches que l'on trouve ou que l'on peut trouver en France dans les granulats, que

ceux-ci proviennent de roches massives ou de matériaux alluvionnaires. Nous en donnons une

brève description. Les autres sont absentes ou moins fréquentes sur le territoire national, mais

dans d'autres pays elles peuvent devenir importantes (p.e. les syénites néphéliniques au

Portugal).

32

CLASSIFICATION SIMPLIFIÉE DES ROCHES MAGMA TIQUES

R~t;~s R~_hes Ro;~s R~hes QUARTZIQUES uni~ement FELDSP ATHIQYES et uruJ)ement

FEL SP ATHIQUE FLEDDPATHOIDIQUES FEL SPATHOÏDIQUES (=FOIDITES)

Roches à Granites Syénites Syénites néphéliniques !joli tes feldspaths alcahns et Rhyolites Trachytes Phonolites Néphélinites plagioclases Ignimbrites

Roches à Diorites Diorites Essexites feldspaths quartziques

Dacites Ignimbrites

Andésites Téphrites

························ ......•...... 'G~ïb'b'i=OS'''·

............... . ''fhéfZïfliëS'''' ······························ ''MiSS'OUfiië'S ............................ pla~ioclases seu s Dolérites

Basaltes Basanites Leucitites

Les roches à structure grenue sont en caractère normal. Les roches à structures microcristallines sont en caractère italiques.

Rocnes sans duartz, ~fel spaths, m feldspathoïdes Duni tes (90% de péridot)

PJ{roxènolite ( O%de pyroxène)

Lherzolite (péridot+ pyroxène)

NB. La nomenclature des structures microgrenues est dérivées de celle des structures grenues; on leur adjoint le préfixe micro (ex: microgranite, mlcrogabbro ... ) Les roches les plus couramment utilisées dans la confection de bétons sont en caractère gras.

33

34

'7tt-e 2S: Structure microlitique

~e 25: Structure doléritiquc

35

'7~e Z4: Structure hyalo-microlitique

'7tt-e 26 : Structure de dévitrification

I -3 Principaux Granulats d'Origine Magmatique

-Les Granites et diorites quartziques.

Nous avons déjà donné les caractéristiques des granites dans un paragraphe antérieur.

A l'œil nu les diorites quartziques n'en diffèrent que par une teinte un peu plus sombre due à

une plus grande richesse en minéraux ferro-magnésiens, notamment en amphibole.

-Les diorites(~ 27Jsont des roches grenues qui comportent en quantités à peu près égales

des plagioclases clairs et des minéraux ferro-magnésiens (généralement des amphiboles) tandis

que les minéraux ferromagnésiens des g~~~!.'?.f! (~ 211, roches nn peu plus sombres que les

~~9.:!!.~~, sont essentiellement des pyroxènes.

- Les Rhyolites, dacites et isnimbrites.

~-:.~.!.~Y.'?.~~.~'!~ (~ 29J.sont des roches claires, parfois teintées en rose par des oxydes

ferriques; la plupart du temps elles ont une structure porphyrique avec des phénocristaux

(bien visibles à l'œil nu), de quartz, de feldspath alcalin et de plagioclase. ~~-~--~~~~~~ leur

ressemblent beaucoup; elles n'ont pas de feldspath alcalin et contiennent souvent un peu plus

de ferro-magnésiens.

De composition aussi bien rhyolitique que dacitique, on doit citer ici une variété de mf

très particulière, ~':-~ . .!K!!-.~1!:'.~:!.~~~-- (~ 30). Ces roches sont liées aux nuées ardentes

correspondant aux émissions violemment explosives de volcans tels que la Montagne Pelée.

Un nuage de débris à haute température dans un milieu gazeux se déplace sur le sol à la

vitesse d'un ouragan. Les nuées ardentes renferment essentiellement des cendres, des débris

anguleux de cristaux et des gouttes de lave, elles vont, en se refroidissant et se consolidant

après dégazage donner des ignimbrites qui ont la dureté et la consistance d'une véritable lave.

Les gouttes de verre se sont aplaties contre les débris de cristaux et forment de grandes

lentilles en forme de "flammes".

- Les trachytes (~ 3/J sont des roches assez claires dans lesquelles les microlites

feldspathiques sont souvent très nombreux, orientés parallèlement les W1S aux autres,

traduisant la fluidalité initiale de la lave.

-Les andésites sont généralement de teinte plus sombre et assez pauvres en phénocristaux.

- Les basaltes ({û}-e 321 doivent leur cotùeur noire à l'abondance des phénocristaux de

pyroxène et surtout à celle de la magnétite dans la mésostase. On peut voir souvent de beaux

phénocristaux verts d'olivine et aussi des petites concentrations (nodules) d'olivine et

pyroxènes (ortho et clinopyroxène).

36

-Les dolérites (111- 331 ont été décrites antérieurement; parmi elles, ~~~."P.~it~s des Pyrénées

sont des dolérites particulières dont le pyroxène a un grand développement et finit par

englober des lattes de plagioclase. Le nom d'ophite est lié à une altération légère de certaines

de ces roches qui donne des teintes rappelant une peau de serpent.

-Les phonolites (~ 34) contiennent un feldspath alcalin associé à nn feldspathoïde. Elles

sont souvent assez claires, pauvres en phénocristaux et se débitent en dalles sonores (lauzes)

d'où leur nom.

Concernant les "vieilles" roches volcaniques, existe une nomenclature particulière: ~~~

~~~~~~~Y!.t:~' -~-~~--~~!.~.C!P.~.Y.~~~ désignent des trachytes à albite ou orthose, .~l?~ .. !?!~~qp~y~e_~ d'anciens basaltes. Ces termes sont à abandonner au bénéfice de description précise des

échantillons.

Il faut de même abandonner le terme de .')~9.1J?~Y.~.(' en ce sens qu'il n'a aucune valeur du

point de vue pétrographique couvrant toute une série de roches allant de rhyolites ou de

microgranites à des roches très basiques. On doit réserver ce mot à la structure porphyrique

telle qu'elle a été définie plus haut.

37

38

~ 31 : Trachyte à structure Ou ida le

~ 33 .. Doléritc

~32 .. Bosaltc

~ 32 .. Phonolite

39

II- LES ROCHES SEDIMENT AIRES

Les roches sédimentaires ou exogènes ont pris naissance à la surface de notre planète

souvent dans l'eau. Les débris issus de la désagrégation de roches préexistantes peuvent rester

sur place et former des roches résiduelles ou être transportés en d'autres lieux~ par les eaux ou

le vent, et se déposer dans des dépressions marines ou continentales; ils forment nn sédiment

qui d'abord meuble évoluera vers une roche cohérente nouvelle.

Les constituants peuvent correspondre à des substances solides (minéraux et fragments

de roches mères arrachés par l'érosion), ce sont des éléments clastiques ou détritiques, ou à

des minéraux formés au moment du dépôt ou plus tardivement dans le dépôt lui-même, ce

sont les minéraux de néoformation. D'autre part des produits solubles ou colloïdaux

entrainés par les eaux pourront précipiter et donner naissance à des roches d'origine chimique

ou biochimique si leur genèse fait intervenir des bactéries ou des orgallismes divers.

11-1 Les minéraux spécifiques des roches exogènes

Les minéraux qui constituent ces roches sont, d'une part, les éléments des roches cristallines ou

sédimentaires plus anciennes, principalement quartz, feldspaths, micas, argiles, d'autre part, des

minéraux de néoformation qui peuvent constituer tout ou une partie de certaines roches.

Nous passerons en revue ceux d'entre eux que l'on rencontre dans les granulats.

- La calcite: CaC03

, carbonate blanchâtre, jaunâtre ou transparent, facile à rayer et qui fait

effervescence aux acides à froid. L'aragonite est une autre forme cristallographique de CaC03

et elle se transforme en calcite au cours du temps(~ 351.

- La dolomite: {C0)2 Ca Mg peut former dans tm calcaire des rhomboèdres bien

individualisés ne fait effervescence qu'à chaud aux acides.

-L'anhydrite: S04Ca, s'hydrate pour donner du gypse.

- Le gypse: S04Ca, 2 H

20, :minéral blanchâtre en masse, transparent lorsqu'il est bien

cristallisé. Très tendre, il est rayable à l'ongle(~ 361,

-Les minéraux des argiles: silicates d'alumine hydratés résultant de l'altération de nombreux

minéraux alumineux. Les principaux sont : La ica~li~ite: 1~ 371 [Sip,J Al, (OH),

C'est une argile stable qui se rencontre soit comme :minéral d'altération hydrothermale, c'est le

cas des gisements de Cornouailles soit encore comme minéral des formations latéritiques. Enfin

on reconnaît de très beaux cristaux de kaolinite comme argiles associées aux formations

calcaires du Boulonnais.

40

.. ~.~~~~~~~~ dont la formule rappelle un peu celle de la muscovite, mais où le remplacement

des ions Si par des ions Al est inférieure à 1/4 (~ SiJ.

Les smectites sont des minéraux qui comme la montmorillonite subissent par

hydratation ou dessication des variations importantes de volume: ce sont des silicates

d'alumine, qui peuvent être substitués, soit en position tétraédrique [beidéllite, nontronite, soit

en position octaédrique (montmorillonite ss)]. Ces substitutions sont compensées par des

cations, essentiellement Ca, ou Na en position interfoliaire associés à des molécules d'eau en

quantité variable.

Les minéraux argileux sont constitués d'un empilement de feuillets et deviennent plastiques

sous l'action de l'eau .

. ~.g~t!-.lf.~C?.r:.~~ est une variété d'illite dans laquelle .l'aluminium est remplacé en partie par

du fer. Sa couleur est verte(~ 39}.

Les argiles au sens large constituent la pollution la plus fréquente des granulats à béton.

Elles peuvent être mises en évidence par des essais simples conune l'essai d'équivalent de

sable ou encore par l'essai au bleu de méthylène (voir annexes).

-La silice, de formule SiO:~.,. elle se présente sous la forme de quartz de néoformation (~

40), de calcédoine ~ 41J, variété fibreuse de quartz microcristallisé, formant fréquemment

des sphérolites ou des éventails dans lesquels les fibres souvent tordues montrent des

alternances de bandes claires et sombres au microscope, et d'opale (~ 42} constituée de

plages de silice hydratée cryptocristalline, dans laquelle ont été reconnues des structures

particulières conune la cristobalite g et la tridymite. Dans les roches sédimentaires, elle a le

plus souvent une origine détritique, ce sont par exemple les sables quartzeux des matériaux

alluvionnaires. Nous allons maintenant entrer plus avant dans la grande famille des roches

sédimentaires.

41

7<1- !15,. Co !cite

~ 37: K.aolinite

7<1- 36 .. Gypse

7<1- sr .. Gypse

42

~ n .. Glauconie

~ 4 1 :Calcédoine

~ 40: Quartz de néoformation

;.:,..-. 42 .·Granules d'opale

43

11-2 Les Roches Détritiques

Elles comprennent les conglomérats, grès et pelites.

- Les conglomérats sont des roches hétérogènes comportant des éléments de taille variable

réunis par tm ciment. On distingue les poudingues et les brèches. Les premiers renferment des

"cailloux" arrondis qui correspondent à des éléments (variés) transportés et usés par J'eau; les

seconds sont formés de gros éléments anguleux n'ayant pas subi de transport et correspondent

à des roches d'origine locale.

- Les grès sont d'anciens sables d'origine marine, éolienne ou fluviatile, consolidés. Leurs

éléments sont essentiellement du quartz, mais aussi un peu de feldspath, de mica ou de

chlorite. La nature du ciment des grès est vatiée :

- Grès à ciment siliceux

~~$!~~-q~!.~~!!~ ont un ciment de quartz de néoformation qui forme de petites plages

engrenées les unes dans les autres assurant la cohésion entre les grains détritiques.

Dans les 8!_~~-H.I!Ç!!.~~ft.~~ les grains de quartz o:r:tt été nourris par de la silice. La roche

devient cohérente quand les grains se collent les uns aux autres. Lorsque le quartz qui nourrit

les grains ne laisse plus de place pour le ciment, le grès devient un q~~t~~~~· Au microscope on

peut voir un alignement d'impurétés séparant l'ancien grain détritique du quartz de

néoformation.

Grès à ciment de calcédoine ou d'opale. (~ 43)

Y.~.'!-tl!-.C!?.~~ renferment jusqu'à 50% de feldspath et sont très pauvres en ciment .

. Y.~.8!.~~__r}'!-_Î~f!-.~4? sont riches en mica blanc. Dans les psarnrnites la muscovite se trouve

dans des lits régulièrement stratifiés.

-~~-g~?.~A-~f!!!0..~J?~~~~fq_~t;- A côté des grains de quartz on trouve de nombreux grains de

feldspath, ainsi que des grains lithiques (éléments de roches siliceuses), du mica blanc et de la

chlorite. Le ciment est constitué de fines particules de quartz, feldspath, chlorite, argile,

fréquemment pigmenté par des oxydes de fer et imprégné de silice secondaire.

44

-~-~~~~~~-~~ sont des grès quartzo-feldspathiques grossiers comportant toujours des

minéraux de roches volcaniques basiques (pyroxènes, amphiboles ... ). Le ciment contient

souvent de la chlorite .

. f.!.~_gr?.~-~--~~-~'!.l'!.~Ff!:~f!:~':~ ont une teneur en calcite inférieure à 50%. -~~-~t?.l.~-~~ sont des

grès à ciment calcaire dont les éléments anguleux n'ont subi aucun transport, ils contiennent

aussi des débris de calcaires organiques et des grains de glauconie.

!!_~_gr?.~-~--~~~'!.l'!.~fr!"!.'!:f5!:7J.~~~ doivent leur existence à des concentrations accidentelles de

fer.

- Les eélites. Ce sont d'anciennes vases consolidées par compaction, elles sont faites de

matériaux détritiques fins agglomérés. Elles contiennent des micas, des argiles, elles ont alors

un débit schisteux dû à l'alternance de lits extrêmement fins plus ou moins gréseux ou micacés.

Elles peuvent contenir aussi de la calcite microgranulaire. Dans les calcschistes les lits calcaires

alternent avec les lits pélitiques.

Il-3 Les Roches d'Origine Chimique et Biochimique

Ces roches comprennent les roches résiduelles, principalement argileuses et les roches formées

par précipitation à partir d'éléments en solutions: les calcaires, dolomies, phosphates, roches

siliceuses, roches ferriques et roches salines.

-Les roches argileuses résiduelles sont formées sur place principalement de kaolinite, îllite,

montmorillonite.

-Les argiles à silex peuvent remplir des poches de décalcification de la craie. Elles sont riches

en rognons de silex, en débris organiques siliceux, (spicules de spongiaires, spongiaires

silicifiés).

Les argiles résiduelles transportées par des eaux courantes se sédimentent sur le fond des lacs

et des mers (~!_gi_!~t? .. ~-~-~!.1!?-.l!~~~~~~f?). D'autres argiles sédimentaires de néoformation prennent

naissance par précipitation chimique dans les eaux marines, à partir de la silice et de l'alumine

apportées par les rivières. D'autres enfin cristallisent au cours de la dia genèse. Ce sont des

roches terreuses, cryptocristallines dont certaines ont la propriété de deverùr plastiques

lorsqu'elles sont imbibées d'eau. Elles peuvent contenir des impuretés : carbonates, grains de

sable ...

-Les roches carbonatées tirent en partie leur origine de l'altération des roches cristallines et

sédimentaires préexistantes dont le calcium et le magnésium sont entraînés par les cours d'eau

sous forme de bicarbonate dissout vers les lacs et les .mers.

45

~~-~--~~!~~-~~~~ : ce sont des roches carbonatées contenant au moins 50% de carbonate de chaux.

La précipitation de celui-ci est réalisée par plusieurs mécanismes, les uns essentiellement

chimiques, les autres bio-chimiques :

- La solubilité du carbonate de chaux dans l'eau est fonction de la teneur en

C02, ce dernier varie en particulier en fonction de la température des eaux, de leur agitation :

Ca (C03H)

2<=====>CaC0

3 + C0

2 + H

20

-Les calcaires peuvent résulter de l'activité biochimique d'organismes (bactéries

algues) ou de l'accumulation de coquilles, tests et squelettes d'organismes calcaires.

Les calcaires présentent des structures variées et sont le reflet d'histoires géologiques

différentes. Nous verrons rapidement : les calcaires caractérisés par leur structure, les

calcaires à organismes, les calcaires impurs.

~-~f!:~~f!:~~~--~i~f!E!f!-.1'!.1!.~~!.~ est une roche à grains fins formée de petits cristaux de calcite

authigènes que l'on rencontre aussi bien dans les formations d'origine lacustres que dans les

faciès marins profonds ou les mers épicontinentales.

Dans le_.~f!:~~f!:~~~-_(?~~~~~~q_'}_~, (~ 441 des éléments de la taille d'une tête d'épingle sont

noyés dans un ciment calcaire. lls ont une forme globuleuse et sont composés de feuillets

concentriques, "écorce" autour d'un noyau central (minéral ou organique). lls sont marins ou

lacustres. Les calcaires pisolithiques ont des éléments de la taille d'un pois.

-~~-~~!~~~~~-g~~~~!~~~ sont riches en fins débris roulés et usés de calcaire à grains fins ou

d'organismes cimentés par de la calcite grenue. Lorsque les éléments calcaires sont ronds (de

taille 0,05 à 5 mm) on parle de calcaire pseudo-oolithique.

~~--~l!fo.~.l~f!.~? .. ~~--~~~1!.~!.~~1!:? se forment aux émergences de sources calcaires. Ils sont

riches en débris végétaux, souvent parfaitement conservés.

Parmi les calcaires à organismes:

Y.~---~t::~~t::~~~~-} . .f~!.~!?l:!l!:ift!.~?..J~??.. variés (~ 451 (foraminifères planctoniques ou

benthoniques) sont finement recristallisés. Parmi ces calcaires on doit citer la craie qui est une

boue calcaire riche en globigérines durcie, peu consolidée et non recristallisée.

Y.~_ç_q!ç_qj!_~? .. r.f.C:if!f.lf~ .. '!!f .. C:~r_l_~t!.l!:~~?, se forment à partir des polypiers, des algues ou de

bryozoaires, les calcaires coquilliers sont constitués essentiellement de débris de lamellibranches

ou de gastéropodes.

D'autres calcaires contiennent des éléments étrangers essentiellement des minéraux argileux, ou siliceux, parfois aussi de la pyrite.

46

-~~-~~?~!1:!~~~-~tgU~.J!..>Ç contiennent entre 5 et 35% d'argile, les marnes entre 35 et 65% et les

argiles calcaires entre 65 et 95%.

-~~--~~-~~f!:~~~~-~ .. "!!.~"l'f.~~-~~~--4.~~!'!:~~:q_lf.~~ (surtout quartz et glauconie). Les minéraux et les

particules calcaires sont mélangés en toutes proportions .

. "4.? .. ~~.Z.~~.Ï!.~? .. ?!!!~.~~~ peuvent être imprégnés de quartz microcristallin, de calcédoine ou

d'opale en plages isolées, dans de petites vacuoles ou en remplissage de petites fissures ou

encore en réseau tridimensionnel. A l'échelle de 1 'affleurement, les calcaires peuvent présenter

des accidents siliceux, dans lesquels la silice est généralement sous forme d'une association de

calcédoine et d'opale, parfois de quartz microcristal! in. On distingue ainsi:

."f!:~.~-q-~~, (~ 46) en rognons pluricentimétriques à pluridécimétriques dans la masse calcaire ;

les plus typiques sont les silex de la craie disposés souvent en chapelets dans la craie,

parallèlement à la stratification. lis sont constitués d'une masse centrale calcédonieuse

entourée d'une mince croûte, (ou cortex), blanche se détachant facilement de la gangue calcaire.

Ce cortex est en fait constitué de silice microporeuse.

-~~~-~~~~~~?sont des accidents siliceux dans des niveaux calcaires. lis sont soudés à leur gangue

calcaire, sans cortex.

Les meulières sont des accidents siliceux des calcaires lacustres de Brie et de Beauce.

Beaucoup de calcaires contiennent de la pyrite et possède une teinte bleue. E_n surface et le long

des fractures, la pyrite se transforme par oxydation en hydroxyde de fer de teinte brunâtre.

-Les dolomies renferment comme minéral essentiel la dolomite : (C03

)2 Ca Mg.

-Les calcaires magnésiens renferment 5 à 10% de dolomite, les calcaires dolomitiques entre

10 et 50%, les dolomies calcarifères entre 50 et 90%, les dolomies entre 90 et 100%. La

dolomie forme de petits rhomboèdres dans une pâte calcaréo-magnésienne. La dolomie peut se

former directement par précipitation dans l'eau des lagunes, elle peut aussi résulter d'un

remplacement de Ca par du Mg. C'est le phénomène de dolomitisation.

Souvent, ces roches contiennent des pyrites, minéraux accessoires présents en faible

proportion et dans des dimensions de 1 'ordre de la dizaine de microns.

- Les roches phosphatées proviennent du phosphore libéré par l'altération de minéraux

phosphatés des roches éruptives dont le plus commun est l'apatite (phosphate tricalcique).

-Les roches siliceuses (particulièrement riches en opale et calcédoine). La silice qui constitue

principalement ces roches, est transportée dans l'eau à l'état de solution.

-Une partie est utilisée dans la construction de test d'organismes (radiolaires, diatomées) ou

dans la formation de leurs spicules (spongiaires).

47

Une partie importante est précipitée chimiquement et forme les accidents siliceux des roches

sédimentaires, comme il a été dit plus haut.

- Les schistes siliceux sont d'anciennes pélites schisteuses imprégnées de silice microcristalline

(quartz, calcédoine, opale).

Les diatomites sont riches en frustules de diatomées dans un ciment d'opale.

- Les radiolarites - _1~~-)l!:~P.~? de couleur rouge, les lydiennes moins pures de teinte noire

comportent des restes silicifiés de radiolaires dans une pâte de calcédoine.

-.J~~.P.~~l!:'Y!:~~f!.~ vertes sont des radiolarites fortement recristallisées en quartz.

-Les spongolites sont des roches qui contiennent de nombreux spicules d'éponges en opale.

- Les gaizes sont des intermédiaires entre les grès et les spongolites ; elles contiennent souvent

de la glauconie d'où le nom de "grès verts". On utilise dans des sens assez différents le terme

de_çJ:!::L.~:!'?·, ce sont des spongolites à faciès de silexoïde, donc riches en silice microcristalline.

- Les roches ferriques (ferrugineuses): pour l'essentiel, les roches ferriques sédimentaires

correspondent aux minerais de fer oolithique dans lesquels des oolithes de nature quelconque

sont entourées d'un cortex de fer ou de carbonates de fer (sidérite) ou de silicates de fer. Le

ciment qui relie ces oolithes est de nature variable (argileuse, calcaire), et contient le plus

souvent lui-même des oxydes de fer.

- Les roches salines: elles correspondent à la précipitation de sels solubles dans les eaux

sursalées des lagunes (sel gemme, gypse, anhydrite) souvent associés à de la calcite, de la

dolomie, des minéraux argileux .

. 1:-.f! ___ gyp!j_f! se forme courarrunent par hydratation de l'anhydrite. Par réduction

bactérienne le gypse en présence de sels de fer peut donner de la pyrite, qui réciproquement

dans un milieu riche en calcium est susceptible de s'oxyder en donnant du gypse.

J:..t: .. ~.l!!..K~'!:':.1!:':l!: grâce à sa plasticité, il peut former des dômes, dans lesquels il est

associé à du gypse, de l'anhydrite, de la dolomie.

48

~ 49 : Grés à ciment calc(>donieu x

-;~ 45 ,. Ca lcaire à foraminif~res (m• i·l•i•ol_e:s_·>_, __

49

~ u : Calcaire oolithique

~46 ,Silcx

III LES ROCHES METAMORPHIQUES

Le métamorphisme est l'ensemble des phénomènes qui transforment une roche

sédimentaire ou magmatique, ayant une composition minéralogique donnée, en une roche ayant

une composition minéralogique différente. Cette transformation peut ou non s'accompagner de

changements dans la composition chimique de la roche originelle.

-Sans changement on a un métamorphisme topochimique.

- S'il y a changement, une métasomatose.

Le métamorphisme est différent de la diagénèse en ce sens qu'au moins un des facteurs

qui intervient (pression, température) est différent de ceux que l'on trouve dans la biosphère.

III-1 Les facteurs du métamorphisme

Ce sont essentiellement la température et la pression (T, P)_ mais aussi, en dépendant

d'ailleurs, assez souvent, des circulations de fluides, qui produisent des dissolutions, des

transports et des recristallisations.

La température :Elle peut être due à la montée d'un magma chaud dans un encaissant

froid, par exemple, d'un granite dans une série de roches sédimentaires argileuses. Les

transformations seront d'autant plus intenses que l'on se trouvera proche du granite, il se

forme aussi tout autour du granite nne zone que l'on appelle "auréole de contact". Dans ce cas

les pressions n'interviennent pas ou peu.

La température est plus généralement liée à celle de gradient géothermique, (le gradient

géothermique est la distance qu'il faut parcourir vers le centre de la Terre pour que la

température augmente de 1 oc, (dans nos régions il est voisin de 33 rn en moyenne). De ce fait

la tempérahlre va agir de façon conjuguée avec la pression.

La pression. Sous l'influence de la pression les minéraux les plus denses ont tendance à

cristalliser.

TI faut distinguer deux types de pression.

celle qui correspond au poids des couches ou des eaux sihlées au dessus des roches

intéressées, c'est la pression lithostatique et la pression hydrostatique.

-celle qui a pour origine les forces mises en jeu au cours des mouvements tectoniques, Ce sont

les contraintes de compression.

Sous l'influence conjuguée de l'augmentation de la température liée au gradient

géothermique et de la pression, les roches subissent des transformations successives, souvent

sur de vastes étendues, on parle alors de métamorphisme général ou régional qu'on oppose au

métamorphisme de contact dont la surface, limitée à l'auréole, est toujours limitée à l'auréole.

50

Très souvent les roches formées au cours du métamorphisme général présentent un

double caractère: elles sont cristallisées et elles sont feuilletées du fait que certains des

minéraux formés (micas, amphiboles ... ) tendent à s'aligner parallèlement.

Pour cette raison les roches ainsi formées sont dites "cristallophylliennes," elles forment

la série des "schistes cristallins".

Au contraire les roches qui se forment dans les auréoles de contact ne sont pas

orientées, certaines d'entre elles ayant un peu l'aspect de cornes, elles constituent pour cette

raison ce qu'on appellle la sén·e des cornéennes.

Au fur et à mesure que croissent les facteurs (T, P), les roches peuvent subir une série

de transformations, marquées à chaque étape par des paragenèses (associations de minéraux)

qui se rapprochent de plus en plus de celles des magmas. On dit qu'il y a métamorphisme

prograde. Inversement si l'évolution est telle qu'un granite, par exemple, a des paragenèses qui

s'éloignent de plus en plus des conditions magmatiques dans lesquelles il s'est formé, c'est la

rétromorphose.

Enfin, parmi les facteurs du métamorphisme on ne doit pas oublier le rôle des fluides

circulant sous forme gazeuse (eau mais aussi bore, fluor, chlore, phosphore ) qui ont des

origines variées mais qui se forment souvent au cours du métamorphisme lui-même.

A titre d'exemple nous allons suivre l'évolution d'une roche argileuse au cours d'un

métamorphisme général prograde, c'est-à-dire au fur et à mesure qu'augmentent la

tempéra ture et la pression.

La roche argileuse compactée est une pélite qui va tout d'abord donner tm schiste à

séricite et chlorite: les minéraux phylliteux ont cristallisé en paillettes très fines, non visibles à

l'œil nu, mais assez abondantes pour donner à la roche tm aspect luisant, satiné. Entre les lits

phylliteux, des lits de cristaux de quartz très fins sont interstratifiés. En dehors de ces

minéraux la roche peut contenir des minéraux de beaucoup plus grande taille (p.e. de

l'andalousite) qui reflètent les caractéristiques chimiques de la roche (dans le cas cité d'un

schiste à séricite-chlorite et andalousite une grande richesse en A~03).

Au stade suivant le schiste à séricite-chlorite se transforme en micaschiste, les micas se

présentent en grandes paillettes bien visibles à l'œil nu et forment des lits qui alternent avec

des lits de quartz. Les micaschistes peuvent contenir en outre d'autres minéraux (grenat,

staurotide ... ).

On passe alors au cours d'un métamorphisme croissant aux gneiss caractérisés par la

présence de feldspaths à côté du quartz dans des lits quartzo-feldspathiques intercalés entre

les lits de micas.

51

Si la température est suffisamment élevée (de l'ordre de 700 à 800°C) dans des

conditions données de pression de vapeur d'eau, une partie de la roche va fondre et donner tm

liquide qui par refroidissement cristallisera en granite, la partie réfractaire qui n'a pas fondue

est dite restite. On a donc des faciès constitués par un mélange de granite et de restite enrichie

en éléments les plus réfractaires à la fusion, entre autres en biotite. C'est là une définition

simple du faciès des migmatites.

Toutes les roches originelles n'évoluent pas de la même façon; en particulier lorsqu'elles

sont constituées d'un seul minéral, par exemple, les roches sédimentaires siliceuses donneront

des quartzites ; les calcaires des marbres etc ...

III-2 Les Minéraux des Roches Métamorphiques Beaucoup des minéraux des roches métamorphiques sont les mêmes que ceux des roches

magmatiques (quartz, feldspaths, micas, amphiboles, pyroxènes, péridot) ou exogènes (calcite,

dolomite ... ). Certains d'entre eux cependant ont un domaine de stabilité plus limité et qui n'est

ni celui des roches magmatiques, ni celui des roches sédimentaires.

Nous ne citerons que les principaux minéraux de métamorphisme que l'on peut trouver

dans les constituants des granulats.

Les silicates d'alumine: l'andalousite, la sillimanite et le disthène Ces trois minéraux ont la même formule Si0

2 Al

20

3 ou encore [Si0

4]A1

20.

Les conditions de (T, P) dans lesquelles ils se forment ne sont pas les mêmes

l'andalousite n'exige que de faibles pressions à l'inverse du disthène, la sillimanite est en

position intermédiaire.

[/q!!-4~~l?.l!-.~!~e cristallise en prismes, elle est souvent colorée en noir par des inclusions

charbonneuses fi«Jw:e 471.

-~-~j_l_l_i_~~~~~ se présente souvent en paquets de fibres (d'où le nom de fibrolite)

11'9<= 48'1.

~-4.~~~~?.1'!.~ forme des cristaux aplatis à reflets bleuâtres f~t9me 491.

Les silicates alumineux ferro-magnésiens

'='~-~~q:~~~*~~ a une composition voisine de celle des trois minéraux précédents, mais

elle contient du fer. Pour mettre ce fait en évidence on peut écrire sa formule 2 [Si0

4]Al,0 Fe(OH)

2

On la trouve sous forme de prismes courts brunâtres pouvant atteindre plusieurs

centimètres. Parfois deux prismes sont maclés en croix. -~ cordiérite [Si

5Al0

18] Al

3 (Fe, Mg)

2 est un minéral bleu-violacé.

difficile à distinguer du quartz et des feldspaths sauf par ses altérations et les inclusions

possibles de zircon.

52

Les aluminosilicates calciques

1-:.'.P.!~f!.~f!. (~SOl rencontrée fréquenunent en prismes allongés ou en gerbes d'aiguilles

d'une belle couleur verte.

Sa composition est donnée par la formule [Si04

]3

(Fe, Al)3 Ca/OH)

J:..~-~-?.~~P.C?Yt.~~ que l'on trouve parfois dans certains marbres ou cornéennes sont des

minéraux blanchâtres en prismes à section carrée.

Ces minéraux forment une famille que l'on peut dans une certaine mesure comparer à

celle des plagioclases. Les deux termes extrêmes ont pour formule ~lj~~~~~: [Si

3Al0

8]

3 Na

4Cl ou 3 albite+ NaCl

~~i-~!!f_t_~: [Si2Al

20

8]

3 Ca

4C0

2 ou 3 anorthite + CaC0

3

Les silicates magnésiens

~-~q_l_~ minéral blanc, en feuillets [Si40

10] Mg

3 (OH)

2, très tendre, (il se raye à l'ongle),

hydrofuge, il est le constituant souvent unique des talcschistes.

-~--~!:T~.f!-~i.1J.~ [Si20

5J Mg

3 (OH)

4 peut se présenter sous deux formes, l'tme dite

"antigorite", est lamellaire, l'autre, "chrysotile", fibreuse. Les fibres de chyrsotile sont parfois

très longues (plusieurs dizaines de centimètres), flexueuses, elles constituent alors l'amiante.

La serpentine sous ses deux formes peut former à elle seule une roche : la serpentinite.

III-3 Les Granulats de Roches Métamorphiques

Nous donnerons maintenant la liste des principales roches métamorphiques que l'on peut

rencontrer dans les granulats (ces définitions en général sont données à l'exclusion de toute

considération sur l'origine et le mode de transformation).

Les schistes à séricite (~ 5/J et chlorite, les micaschistes (~ 52} et les gneiss (lt9-e 53}

ont été définis ci-dessus.

Les leptynites (1'9-e 541 sont des gneiss à grain généralement fin, pauvres en ferro­

magnésiens.

Les porphyroïdes proviennent de la transformation dans un métamorphisme de faible degré

de rhyolites: ce sont des sortes de gneiss, formé de cristaux d'assez grande taille qui sont les

anciens phénocristaux de quartz et de feldspath dans nne mésostase fine schisteuse de

séricite, chlorite et quartz.

Les amphibolites (~ 55}, pvroxénites, épidotites, grenatites sont des roches dans

lesquelles le minéral qui donne son nom à la roche est particulièrement abondant.

Les éclogites (I"J- 56) contiennent nniquement une association de pyroxène et de grenat.

53

Les marbres {~ 57) sont des calcaires (ou des dolomies, "marbres dolomitiques")

recristallisés avec très souvent des silicates variés (amphiboles, pyroxènes, grenats, épidotes

etc ... ).

Les serpentinites sont constituées par les minéraux de la serpentine.

Les cornéennes {~ Sf) sont des roches à grains très fins sans aucune orientation des

minéraux constituants, dans lesquels à côté du quartz on peut trouver de très nombreuses

espèces minérales (biotite, andalousite, cordiérite, feldspaths, amphiboles, épidote etc ... ).

54

~· 47 : Andalousite

,._ 4 9 .. Disthène

55

~tir: Sillimanitc

,._ so , Epidote

?,_ 51 .. Schiste

~S3.· Gneiss

56

?~ S2 : Micaschiste

~t~ 55 : Amphibolite

'76,-< 57 , Morbre

-;.,-. 56, Eclogite

~~ 51 .• Cornéenne

57

IV DEFORMATIONS, ALTERATIONS

La cristallisation d\me roche magmatique ou métamorphique, la lapidification d'tm

sédiment meuble ne marquent pas nécessairement la fin de leur histoire.

Au cours des temps géologiques des modifications importantes peuvent survenir, en

dehors même du métamorphisme.

Certaines sont induites par la tectonique, d'autres sont relatives à des altérations ou

plutôt à la déstabilisation de minéraux originels, d'autres enfin sont liées aux phénomènes de

dissolution, d'oxydation, d'hydratation.

Enfin nous aborderons brièvement la diagenèse et les phénomènes qui peuvent lui être

associés comme les silicifications par exemple.

IV-1 Les déformations dues à la tectonique

Pour montrer le rôle de la tectonique, nous prendrons comme exemple les granites. Après leur

refroissement et leur cristallisation, les granites présentent toujours une certaine microporosité.

Si au cours de leur histoire, ces granites sont soumis à une tectonique de compression, cette

microporosité va diminuer d'autant plus que cette dernière est grande: à ce stade, le granite

commence à acquérir une structure cataclastique (~ 59): les plans des macles ou de clivages

des feldspaths et des micas par exemple, sont tordus et brisés. A un stade de compression

plus avancé se produisent des fissures tandis que les bords des minéraux s'auréolent de petits

débris qui traduisent le début de la frachuation. La cataclase s'intensifiant, on assiste à la

rupture complète de l'édifice granitique, le broyage est devenu intense : des fragments de taille

variée de quartz et de feldspaths, des paillettes de biotite déchiquetées et chloritisées sont

cimentées par des débris très fins associés à des minéraux néoformés silice microcristalline,

chlorite, séricite, argiles ... On parle alors de structure mylonitique (~ 60}, bien que certains

auteurs réservent le terme de mylonite au seul cas où le broyage a été tellement intense qu'on a

une sorte de purée de minéraux souvent difficiles à identifier.

Parfois les roches mylonitisées acquièrent un clivage schisteux, on les dénomme

phyllonites qu'il ne faut en aucun cas confondre avec des micaschistes ou des gneiss. Les roches

mylonitiques jalonnent très fréquemment les failles.

Si à la suite d'une période de tectonique compressive se produit une phase distensive,

les fissures s'élargissent. De toutes façons elles seront cicatrisées par des minéraux tels que le

quartz, la calcédoine, la calcite et parfois des minerais métalliques, en particulier des sulfures

panni lesquels la pyrite très ubiquiste.

58

IV - 2 Les Processus d'Altération

Nous nous limiterons aux altérations sous climat tempéré.

L'altération des roches dont l'aboutissement peut être leur désagrégation. leur

destruction ou leur dissolution est contrôlée par un certain nombre de processus physiques ou

chimiques bien connus. On sait que le calcaire est dissout par des eaux chargées de gaz

carbonique, que l'anhydrite en s'hydratant donne du gypse, que la pyrite, sous la double

influence de l'eau et de l'oxygène de l'air, s'oxyde. Mais, parmi les processus d'altération,

l'hydrolyse des silicates est le plus important vis à vis des roches magmatiques ou

métamorphiques.

b ~~Y. 4.~~! y~~ .1.€?:>:. ~-~ ~ !.c:~ ~l!:>: L'eau se comporte chimiquement comme un acide faible agissant par ses ions H+. A la

tempérahlre ordinaire 1 litre d'eau pure contient à l'état dissous Io-7 g d'H+, teneur qui

augmente rapidement avec la température et le taux de gaz carbonique. Nous prendrons à

nouveau comme exemple le cas du granite. Si l'on observe au microscope une lame mince taillée

dans un granite tel qu'on le trouve dans maintes carrières et dont l'apparence générale est celle

d'une roche saine, qui montre cependant, parfois un début d'altération. En lame mince, au

microscope optigue, seuls le quartz et la muscovite sont intacts, les feldspaths potassiques

perdent leur limpidité et dans les plagioclases on aperçoit des petites paillettes d'illite ou de

séricite, la cathodoluminescence révéle la présence de petits cristaux de calcite; le mica noir se

transforme en chlorite. Ces modifications sont le fait d'une hydrolyse débutante. Pour

comprendre son mécanisme il faut se rappeler l'architecture des minéraux: l'albite par exemple

est formée par une charpente tridimensionelle de tétraèdres à centre Si ou Al (1 Al pour 3 Si).

Les gros ions Na+ sont situés dans des cavités de la structure dont ils maintiennent la

cohésion.

Les ions H+ de l'eau, de très faible rayon ionique par rapport aux ions Na+ (comme

d'ailleurs par rapport aux ions K+ ou Ca2+) exercent un champ considérable sur les ions O==

qui vont tendre à se lier à lui, de préférence à Na, dont le potentiel ionique est beaucoup plus

faible.

Na+ sera donc délogé, H+ prendra sa place, mais compte-tenu de sa faible dimension, il

n'assurera plus la cohésion de l'édifice qui va se déformer mécaniquement générant des cavités

envahies par l'eau qui pourra alors drainer et exporter le sodium.

D'une façon plus générale l'hydrolyse des feldspaths aboutit à la libération des ions K+,

Na+, Ca++. Si le drainage est très bon tous ces ions seront évacués, s'il est moyen le potassium

restera sur place, se recombinera avec des ions Si et Al pour créer des néoformations d'illite ;

c'est le cas le plus général en climat tempéré. Si le drainage est particulièrement mauvais,

d'autres minéraux argileux pourront se former tels que les smectites, qui sont des argiles

gonflantes.

59

La biotite pour sa part va perdre la totalité des ions K+, une partie de son fer, elle sera

transformée en chlorite, dont la composition est assez variable d'une chlorite à l'autre, peu

différente de la formule

(Si,Al010

) Al (Mg, Fe), (OH),

On voit donc que le mécanisme de l'hydrolyse n'aboutit pas à nne simple

transformation d'une espèce minérale en une autre. Il prend en compte la totalité des minéraux

vulnérables, la libération des ions doit donc être prise danS son ensemble : la néogenèse d'argiles

telles que l'illite (argile qui contient du K) en découle: c'est dans les plagioclases qui, à l'origine

ne contiennent pas de K, qu'elle va être particulièrement importante.

Si le processus d'hydrolyse du granite est poussé à l'extrême, on aboutit à la formation

d'nne arène, roche meuble formée de quartz et de muscovite résistant à l'hydrolyse, de débris

de feldspaths incomplètement détruits, de chlorite et d'argiles néOgénétiques.

Dans les roches massives exploitées en carrières comme dans les matériaux

alluvionnaires, on observe bien souvent un début d'hydrolyse tel qu'il vient d'être décrit. ll

s'agit là d'un phénomène qui peut être important pour le comportement ultérieur de ces roches

employées comme granulats car en déstabilisant certains minéraux l'hydrolyse est génératrice de

désordres structuraux dans les minéraux originels et de néoformations argileuses et parfois aussi

siliceuses qui ne seront pas sans incidence dans les processus d'alcali réaction.

N- 3 Diagenèse et mécanismes associés

La diagenèse appelée aussi parfois lapidification constitue un ensemble de processus qui font

qu'un sédiment se transforme en roche. Entre diagenèse et métamorphisme il existe une limite

floue, de même entre diagenèse et altération. On peut reconnaître différent!::$ étapes plus ou

moins représentées suivant les cas:

-Une évolution mécanique: la compaction.

- Une évolution biochimique : cette phase est en général trés précoce. Elle met en jeu une

activité bactérienne qui a une action à la fois sur la matière organique et sur la composante

minérale. En acidifiant ou en alcalinisant le milieu, elle influe sur la solubilité des minéraux et

par conséquent sur la composition des solutions interstitielles du sédiment.

-Une évolution physico-chimique: cette étape se caractérise par une transformation du

sédiment suite à la mise en oeuvre de mécanismes de dissolution recristallisation. On peut

distinguer suivant leur stabilité

des éléments trés stables en solution : les alcalins (Na, K)

des éléments moyennement stables : les alcalino-terreux ( Ca , Mg )

des éléments peU stables : ce sont principalement Al et Si. Ces derniers et en

particulier Si vont donner des solutions colloïdales qui peuvent migrer assez loin de leur lieu

de f()rmation. Cette silice pourra précipiter de manière quelconque donnant ainsi naissance

aux chailles et aux silex qui sont des accidents siliceux courants des formations carbonatées.

Elle peut aussi imprégner la roche de façon diffuse. On est ici à la limite de la métasomatose.

60

Le ~ 4, page suivante est emprnnté aux "Recommandations pour la prévention des désordres dus à

l'alcali-réaction", il donne une liste des principales roches réactives que l'on peut rencontrer.

Schématiquement tous les types de roches sont susceptibles de participer à l'apparition du phénomène

alcali-réaction mais pour un même type de roche, toutes ne se montrent pas réactives. Il devient dnnc

important de pouvoir les caractériser à la fois d'un point de vue pétrographique et à l'aide d'essais

spécifiques qui vont mesurer leur sensibilité aux solutions agressives du béton.

61

7adte.:w 4: Principales roches et rrrinéraux sensibles en rrrilieu alcalin.

Roches

. Granites

. Granodiorites

M A G M . Rhyolites A . Dacites T . Andésites 1 . Trachyandésites Q . Basaltes u E s . Obsidienne

. Tufs volcaniques

. Rétinites

M . Gneiss E . Micaschistes T A M 0 R p H 1 . Quartzites Q .Cornéennes u E s

s . Grès E . Quartzites D 1 M . Grauwackes E . Siltites N . Schistes quartzeux T A 1 . Chailles R . Silex E s

. Calcaires

. Calcaires dolorrritiques

. Dolorrries

Minéraux sensibles en rrrilieu alcalin

Quartz à réseau déformé, présentant une extinction ondulante .

Minéraux feldspathiques altérés, Joints de grains ouverts.

Présence de verres siliceux ou de verres balsatiques plus ou moins dévitrifiés, présence de tridyrrrite, de cristobalite, d'opale .

Verres riches en silice plus ou moins dévitrifiés souvent microfissurés .

Quartz à extinction ondulante . Micro quartz de seconde génération; Joints de grains ouverts, minéraux feldspathiques et micacés altérés.

Quartz associés à un ciment quartzeux et opalin. Présence de micro quartz de seconde

génération. Présence de phyllosilicates. Présence de quartz à extinction ondulante ou de quartz rrricrofissurés.

Ciment siliceux mal cristallisé, Joints de grains élargis .

Minéraux phylliteux associés. Présence d'opale, de quartz micro­

cristallins

Présence de calcédoine, d'opale.

Présence de silice de type opale en micronodules ou diffuse en réseau, associée ou non à des sulfures sédimentaires et des phyllites.

62

~S9 , Structure cataclastique ~ 10 , Structure mylonitique

Chapitre 3: LES GRANULATS A BETON

Les granulats, qu'ils soient issus de roches alluvionnaires ou de roches massives, de

roches sédimentaires, éruptives ou métamorphiques, sont le plus souvent constihlés, comme

nous l'avons vu, de plusieurs espèces minérales d'importance quantitative très variable. Nous

nous intéresserons aux variétés les plus couramment mises en cause dans les alcali-réactions

pour leur réactivité. Elles le sont de par leur minéralogie, mais il conviendra, rappelons le. de

prendre en compte la structure et l'histoire tectonique de la roche comme facteur de risque.

Vis-à-vis de 1 'alcali -réaction les minéraux sensibles auront des comportements très

variables pouvant aller d'une très forte réactivité conférant au matériau des propriétés

particulières qui font classer ces granulat,s à partir d'essais conventionnels, dans la catégorie

des PRP (Potentiellement Réactif à effet de Pessimum) jusqu'à une réactivité très faible

(granulats NR) en passant par une réactivité importante qui donne aux matériaux le

classement PR (Potentiellement Réactif).

Le déroulement de ce chapitre partira d'une description à l'échelle de la carrière pour

passer à celle de la roche avant d'aborder les caractéristiques chimiques des roches et

microscopiques des minéraux.

I ECHANTILLONNAGE ET PRELEVEMENT DES ROCHES EN

CARRIERE

1 -1 Organisation de la démarche

L'approche qui est présentée ici s'inspire des conseils qui sont donnés dans le guide pour

l'élaboration du dossier carrière.

Elle a pour but d'aider à l'établissement du plan d'échantillonnage en définissant clairement les

processus à mettre en oeuvre lors de la prise d'échantillons en fonction des divers cas de figure

auxquels peuvent être confrontés le géologue et l'exploitant. Les processus mis en oeuvre seront

décrits sur le rapport établi à l'issue du diagnostic.

L'échantillonnage qui va permettre la caractérisation d'un gisement suppose quelques

définitions. C'est ainsi que l'on est conduit à définir la notion" d'entité géologique".

Une ENTITE GEOLOGIQUE constitue une partie, ou un sous-ensemble d'un gisement, bien

identifiable, ayant des caractères communs reconnaissables (macrostructure, nature, et souvent génèse,

... ),laissant présumer dès ce stade de l'investigation un meme comportement vis-à-vis du risque alcali­

réaction.

65

Elle peut être qualifiée d'exploitable si elle est effectivement séparable à l'abattage ou à l'extraction et, si

elle présente un volume minimum compatible avec les contraintes techniques et économiques imposées

par l'exécution des opérations de production effectuées à la carrière.

Une entité géologique peut renfermer un ou plusieurs faciès pétrographiques (éléments ayant

des caractères minéralogiques et struturaux communs).

Un gisement peut être constitué d'une seule ou de plusieurs entités géologiques.

Un gisement de roches carbonatées peut présenter une succession de bancs calcaires d'âges différents

dotés de caractères géomécaniques très proches. Dans ce cas, il est considéré comme une seule entité

géologique. Il peut aussi, en outre, présenter une entité "calcaire silicifié", une entité de transition

plus ou moins complexe, renfermant des formations inséparables, intercalations, brèches, etc ...

Un gisement alluvionnaire constitue le plus souvent une seule entité géologique. Cependant, il peut

quelquefois présenter des terrasses bien individualisées qui sont chacune une entité. Il peut aussi être

formé de dépôts provenants de deux ou plusieurs affluents différents qui constituent autant d'entités

géologiques exploitables. Il convient aussi de remarquer qu'il peut exister une différenciation

pétrographique vis-à-vis de l'alcali-réaction en Jonction de la granularité.

Un gisement dans un complexe éruptif et métamorphique peut présenter une entité à structure

grenue et orientée par exemple, une entité fortement orientée et microplissée, une entité constituée d'une

roche compacte à structure microlitique associée à une roche sombre riche en ferro-magnésiens.

Le compromis conduisant à définir les entités géologiques exploitables peut être quelquefois

difficile à établir. Le géologue a tendance à procéder à la division la plus fine possible donc à

considérer des entités plus petites et plus nombreuses, et l'exploitant a généralement la tendance

inverse.

Pour qualifier chacune des entités géologiques exploitables le producteur choisit l'une des deux

voies suivantes :

A- Echantillonnage et étude des faciès constituant les entités considérées.

B- Echantillonnage de granulats issus de chaque entité après leur élaboration dans l'installation

de production de la carrière suivant les conditions habituelles de fonctionnement.

Dans les deux cas, un plan d'échantillonnage rigoureux est établi. Suivant la voie retenue;

l'échantillonnage se fait :

• dans le gisement, on considère alors deux cas :

1) échantillonnage d'un gisement de roches massives en place,

2) échantillonnage d'un gisement de roches meubles en place,

• sur la production, échantillonnage d'une production de granulats, on considère également

deux cas:

1) sur stock

2) sur bande

remarque:

n n'existe pas actuellement en France de norme spécifique à l'échantillonnage de matériaux

en place. Les normes existantes concernent seulement les granulats en stock ou en cours

66

d'écoulement. Nous traiterons de ce cas relativement simple et de pratique courante avant

d'aborder le cas plus complexe de l'échantillonnage d'tm gisement.

I- 2 Echantillonnage de granulats élaborés

C'est sans doute le cas le plus courant. L'échantillonnage de granulats fait l'objet de normes et le

sujet est traité dans de nombreux ouvrages ou articles. il a l'avantage de permettre de procéder

aux essais de qualification sur les produits qui sont réellement utilisés dans la confection des

bétons.

Les prélèvements sont effectués suivant les dispositions prévues par les normes:

. sur des matériaux en cours d'écoulement (AFNOR P 18-552) -,

. sur des matériaux en stock (AFNOR P 18-551).

Cette procédure ne dispense pas d'une érude géologique préalable indispensable à la

connaissance du gisement.

I- 3 Echantillonnage d'un gisement de roches massives en place

Cette opération ne peut en aucun cas être effectuée sans qu'une étude géologique, même

succincte, n'ait été réalisée . Au cours de cette étude il a été déterminé :

-le nombre et la nature pétrographique des différents faciès de l'entité géologique considérée. On

appelle ici entité un ensemble constitué d'un ou plusieurs faciès mais, correspondant à rme unité

d'exploitation au niveau du gisement.

-leur géométrie (extension, volume, ... ),

-leurs caractéristiques internes (épaisseur des bancs, présence et épaisseur d'interlits argileux,

fracturation, ... ),

-les principaux éléments de discontinuité : failles, poches de dissolution, altérations, etc ...

Ce travail sera matérialisé par un plan (ou tm schéma) géologique localisant ces différents

éléments, accompagné s'il y a lieu de coupes et de photographies,. ..

1 - 3 - A Cas d'un gisement vierge ou d'une partie de gisement inconnue

Lorsque le gisement est vierge, ou lorsque l'étude géologique laisse craindre des variations de

faciès en arrière des fronts accessibles, l'échantillonnage peut se faire à partir de sondages,

judicieusement répartis.

La méthode de sondage utilisée doit permettre, de repérer la position exacte de l'échantillon

dans le gisement et, de délimiter les différents faciès.

L'opération d'échantillonnage doit être conduite de telle sorte que les divers bancs ou faciès

présents dans le gisement puissent être repérés et caractérisés. En effet, des variations rapides

de composition (en particulier de teneur en silice) peuvent être observées d'un banc à l'autre.

A titre indicatif, il peut être conseillé de prélever:

"' dans le cas de sondages carottés

Pour les bancs ou faciès d'épaisseur comprise entre 1 et 10 mètres, tm prélèvement

élémentaire.

67

. Pour des bancs d'épaisseur supérieure à 10 mètres, nn prélèvement élémentaire tous les 10

mètres pour peu que l'on soit sûr de l'homogénéité du banc .

. Pour des bancs d'épaisseur inférieure à 1 mètre, un prélèvement élémentaire par banc.

* dans le cas de sondage destructifs

. Un prélèvement élémentaire des déblais de forage tous les 0,50 mètre.

1- 3 -B Cas d'un gisement en cours d'exploitation

Dans le cas d'une exploitation en cours, un échantillonnage sur la surface préalablement

décapée, ou sur les fronts de taille, sera censé représenter les caractéristiques du ou des volmnes

concernés.

La répartition des prélèvements élémentaires doit suivre grossièrement celle qui est

recorrunandée ci-dessus pour les sondages. Elle peut être modifiée en fonction de l'observation

des fronts, le but étant d'être en mesure, sur la base des résultats des analyses, de localiser la

limite entre deux compositions différentes au banc ou au mètre près.

Lorsque le gisement exploité présente une grande homogénéité apparente sur une vaste étendue

(supérieure à 100 rn en extension), les prélèvements peuvent être effectués avec tm espacement

régulier, niveau par niveau (cas d'une carrière de granite par exemple).

Les prélèvements élémentaires sont constitués, dans la plupart des cas, par un ou deux blocs,

détachés au marteau, de dimensions mirrim.um 10 x 10 x 10 cm, clairement identifiés et de

préférence ensachés.

1- 4 Echantillonnage de gisements de roches meubles

Là encore, et pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment, l'échantillonnage ne

peut pas être effectué sans nne étude géologique préalable.

1 - 4 -A Gisement vierge ou présentant des risques de variations horizontales de

faciès significatives

L'échantillonnage consiste à effectuer des prélèvements sur les produits récupérés par sondages

(sondages carottés ou à la tarière ou par puits) et si possible sur des affleurements existants

suivant un maillage détemùné par le géologue. A titre indicatif, il est précisé qu'un maillage de

100 à 200 mètres est une pratique courante.

A partir de ces prélèvements, il est préparé par mélange et division, nn échantillon pour le

laboratoire d'au moins 50 kg par entité géologique considérée comme exploitable.

1 - 4 - B Gisement ouvert

Pour chaque faciès et/ ou entité exploitable, il est réalisé sur les fronts des prélèvements d'nne

dizaine de kg judicieusement espacés.

Dans le cas où tout ou partie d'un faciès, ou d'une entité exploitable est noyée, les prélèvements

unitaires sont réalisés à partir des produits récupérés par un engin d'extraction, dans des

68

conditions aussi proches que possible de celles qui sont ou qui seront pratiquées dans le

procédé d'extraction industrielle.

Ces prélèvements sont effectués de préférence à des intervalles de l'ordre d'une centaine de

mètres.

I- 5 Echantillonnage pour laboratoire

Les prélèvements élémentaires sont mélangés et divisés pour constituer nn échantillon pour

laboratoire d'une cinquantaine de kg.

remarque:

Les échantillonnages définis ci-dessus ne s'imposent pas, s'il s'agit d'un gisement nouveau

appartenant à un bassin ou une entité géologique dont les caractéristiques sont connues et qui a

fait l'objet d'une qualification vis-à-vis de l'alcali-réaction conformément à la procédure décrite

dans le guide pour l'élaboration du dossier carrière.

1 ~ 5 -A Traitement de l'échantillon global pour le laboratoire

En principe, il est eff~tué par le laboratoire qui doit d'abord séparer par tamisage la fraction

sable, gravillons et cailloux en notant leurs proportions relatives pour obtenir 5 à 10 kg de

chacune d'entre elles. La définition des coupures granulométriques, les modalités de préparation

des échantillons pour essais, sont établies par le laboratoire en fonction des éléments concernant

l'exploitation du gisement et l'élaboration des granulats fournis par l'exploitant. Sur les

échantillons préparés

effectue les essais

à partir des fractions granulométriques ainsi séparées, le laboratoire

et analyses nécessaires conformément aux dispositions des

Recommandations et textes normatifs.

ll REACTIVITE LIEE AUX ROCHES

II-1 Facteurs Sructuraux

Si les roches réagissent par leur minéraux, leur réactivité est aussi conditionnée par l'accessibilité

de ces minéraux aux solutions agressives. Ce facteur oblige à prendre en compte la notion de

structure telle que nous l'avons définie au chapitre précédent.

Parmi les paramétres de structure, le plus facile à appréhender est certainement la taille des

grains et leur orientation. Nous avons distingué et défini plusieurs types de structure:

- Le caractère grenu s'accompagne le plus souvent d'une micro-fissuration importante, ce qui

constitue un facteur de risque en offrant une plus grande possibilité de pénétration aux

solutions agressives du milieu béton.

-Le caractère m.icrolitique, est souvent associé à une phase vitreuse, qui du fait de l'absence de

réseau organisé apparaît comme plus sensible.

69

- La structure orientée .. quant à elle .. peut exacerber les phénomènes liées au gonflement des gels

de réaction si ceux-ci se disposent dans les plans des feuillets en favorisant l'ouverture

(!"exfoliation) des minéraux micacés et conduire ainsi plus rapidement à des dégradations

notables. A cette notion de structure décrite après observation de la roche à l'aide des outils du

pétrographe, on doit superposer les paramètres issus de mesures tels que:

-la perméabilité,

- la porosité,

-la surfé:!:ce spécifique.

Le tableau ci-après donne pour quelques types de roches les valeurs mesurées pour différents

essais d'identification qui traduisent à des degrés divers l'impact de la structure sur les

caractéristiques mécaniques des matériaux.

Nous voyons à la lecture de ces tableaux que pour tm même type de roche on peut avoir des

valeurs trés différentes. Les écarts pourraient être encore beaucoup plus importants si nous ne

nous étions pas limité aux matériaux de qualité satisfaisante pour donner des granulats à

bétons.

7a&ea.«. 5 - Etendue des caractéristiques en relation avec la structure pour les principaux types

de roches utilisées en béton (extrait des données de Dataroc)

Granite Diorite Basalte Calcaire Quartzite Silex 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Porosité% 0,2 1,4 1,3 1 0,2 0,7 9,5 1 1,8 0,6 1 Vlm/s 5643 3720 5330 4510 6040 5564 4560 6350 5340 3460 5560 IC% 95 62 90 78 93 82 69 96 87 57 92 do Fissura% 5 36 6 20 6 17 17 9 11 40 6 RcMPa 333 147 172 120 468 187 120 220 286 346 285

Gneiss Micaschiste Schiste Cornéenne Gres Amphibolite 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

Porosité% 1,1 0,7 1,3 0,7 0,4 0,1 0,4 0,9 5,8 2,4 0,2 Vlm/s 2850 4540 5840 4740 6390 6750 5900 5570 3100 5040 5470 IC% 47 77 97 80 97 99 95 95 52 81 84 d° Fissura% 51 22 1 18 2 2 4 3 39 15 15 R<:MPa 118 210 96 172 265 222 162 304 64 206 209

II - 2 Composition chimique

La réactivité est le facteur qui conditionne la réponse d'un béton aux agressions alcalines. Elle

ne doit pas faire oublier qu'une roche interviendra aussi par son aptitude à enrichir la solution

interstitielle en alcalins. C'est cette aptitude que l'on mesure à travers l'essai de libération des

alcalins actifs.

Actuellement, il existe une procédure recommandée décrite dans le Document pour la

prévention des risques dus à l'alcali-réaction. Cette procédure est à la fois conventionnelle,

longue et contraignante. Parallèlement tm important travail de recherche est en cours qui à pour

70

objectif de voir corrunent, en fonction du type de roche, de sa minéralogie, de sa structure et de

la connaissance des alcalins totaux, on peut apprécier les alcalins actifs avec une bonne

précision.

Eléments TYPES DE ROCHES

Dosés Basalte Diorite Trachyte Micro-granite

Si02 51,90 63,67 56,75 70,30 Al20 3 17,83 15,40 18,37 14,50 Fe203 5,83 1,45 2,22 0,96 FeO 3,89 3,26 3,04 1,53 MgO 4,33 1,56 2,02 1,19 CaO 7,41 3,60 4,68 1,22 Na20 3,41 3,50 4,85 3,18 K,O 1,25 5,09 5,92 4,55 Ti02 1,36 0,70 1,25 0,44 P20s 0,29 0,33 0,11 0,23 H,O 2,06 1,30 0,18 1,66 Total 99,56 99,86 99,38 99,76

Eléments TYPES DE ROCHES

Dosés Calcaire Calcaire Calcaire Schiste siliceux argileux franc

Si02 16,27 35,25 0,29 59,70 Al203 1,16 12,60 1 16,98 Fe203 0,46 4,22 0,02 0,52 FeO 1 1 1 4,88

'Ml<O 0,94 2,37 1,06 3,23 CaO 44,66 21,26 53,65 1,27

Na20 nd 1,21 0,03 1,35 K,O 0,28 2,06 0,01 3,77 Ti02 1 0,73 1 0,79 so, 0,69 0,05 • 0,74 H,O nd 2,48 0,73 3,82 co, 35,09 13,84 43,70 1 MatOrg 1 4,11 1 1 Total 99,55 100,13 99,54 100,05

"'· Cette valeur est à associer à la présence de pyrite ""*. Représente id un départ d'eau à 100°C

7a&eaa 6 : Analyses chimiques de quelques roches courantes

Amphi- Gneiss bolite

47,96 75,42 14,97 12,60

1,82 0,73 8,97 0,76 7,78 0,34 6,74 0,53 2,45 2,55 2,10 6,80 2,83 0,11 0,63 0,18 2,86 0,78

99,11 100,80

Quartzite Phtanite

90,53 91,06 1,39 3,79 0,32 2,01

1 1 0,10 0,46 3,40 0,45 0,28 0,23 0,84 0,74

1 1 1 0,35

0,70 0,97 2,35 •• 0,32

1 1 99,91 100,06

Les analyses chimiques montrent que l'on peut avoir suivant les types de roches des différences

seruibles concernant entre autres la silice et les alcalins totaux.

(travaux de Ouali, Université PMC , LCPC).

71

Ces différences se retrouveront au niveau des alcalins libérables ou alcalins actifs.

L'extraction faite selon le mode opératoire LPC n° 37 montre que les alcalins actifs des

granulats sont le plus souvent inférieurs au 1% des alcalins totaux. L'expérimentation en cours

confirme que cette barre de 1% est bien réelle sauf cas très particulier mais que d'une variété

pétrographique à une autre, elle peut fluctuer entre 1% et 0,1 %, ce qui peut faire basculer une

formulation de béton dés lors que les granulats utilisés ont une teneur en alcalins totaux

supérieure à 3%. Pour des granulats dont la teneur en alcalins totaux ne dépasse pas le pour­

cent, leur contribution à l'enrichissement en alcalins du m3 de béton ne dépassera pas les 0,2 kg,

ce qui est relativement faible, comparé aux autres sources possibles qui sont le ciment et les

adjuvants.

ç; bO

ë f-< 0 g

1~00~-----.------.------,-----,r-----,------,------,-----,

• ·~

60000

40000

0 2

Um e sup des a ports admiss bles en alcal s (400gfT)

· s comme n gligeables { OOgfT)

4 6 8 1<20 Lib 1 1<20 Tot%

10 12 14 16

Résultats provenant pour partie d'une étude actuellement en cours sur la libération des alcalins

et d'études de cas réalisées à propos de travaux ou encore de diagnostic de désordres.

72

Les résultats du 'f4tteaa 7 ci dessous sont issus d'études réalisées au début des années 80 soit sur

des attaques alcalines soit à partir d'attaques nitriques au 1/50 ème.

Calcaire Rhyolite Silex S•~le 1 Op•le ::>~te 1 \.,!uartzit ROCHES du deLa opalin de de e

Boulonnais Martini " Waben St Loire de que calcéd Pierre V ignat

o- Eynac n~e

éléments Attaque par HN03 1/50 ~~-~~-> alcalins solubles dosés Attaque par fusion ~~~~~-> alcalins totaux

Na20 total 1,15 3,24 0,26 0,05 0,11 1,7 0,11 Na2o 0,001 0,059 0,001 0,002 N.D. 0,002 0,001 soluble K20 total 0,37 4,58 0,21 0,03 0,30 4,48 0,38

K20 soluble 0,007 0,018 0,001 0,001 N.D. 0,03 0,005

Na,O Equ ~ Total 1,39 6,25 0,398 0,069 0,29 4,64 0,36

- actif 0,006 0,07 0,001 0,003 N.D. 0,021 0,004 Attaque P" NaOH à 80" L essai p 18-584

Réduction d "alcalinité 41,5 40 220 160 N.D. N.D. 110 (m-mole/1) Silice 13 48 1077 1190 N.D. N.D. 65 dissoute (m~mole/1

Cet ensemble de résultats montre qu'il est indispensable de regarder les granulats à béton non

corrune des matériaux inertes, indifférents au liant qui va les enrober, mais bien au contraire

conune des éléments actifs du matériau béton. Leur activité se manifestera soit; au niveau des

liaisons avec les hydrates du ciment, cet aspect a été étudié entre autre par Faran U et par

Maso U qui concluent à l'existence de liaisons beaucoup plus performantes dans le cas des

matériaux calcaires que dans celui des matériaux siliceux. L'activité des granulats peut aussi se

manifester dans le cadre des réactions alcali-granulats en conduisant le béton vers une ruine

précoce. Il est donc trés important pour l'ingénieur de connaître ce qui, au niveau d'une

fournihlre et même au niveau plus restreint du granulat caractéristique d'un faciès, peut ou doit

être considéré comme la source possible des désordres. Cette démarche vers la connaissance

suppose que le matériau qui va être étudié est bien représentatif de la fourniture qui sera mise en

oeuvre.

73

III REACTIVITE LIEE AUX MINERAUX DU GROUPE DE LA SILICE

ill-1 Le quartz

C'est le plus fréquent des minéraux· du groupe de la silice, très résistant à l'altération, il se

présente comme le constituant le plus abondant des roches détritiques meubles, ou

consolidées. Minéral ubiquiste par excellence, on le rencontre dans la presque totalité des

roches utilisées dans la composition des bétons hydrauliques.

ll ne peut être considéré comme un minéral sensible que lorsqu'il présente des défauts.

C'est le cas par exemple des quartz fortement nùcrofissurés que l'on peut rencontrer dans

certaines roches ayant subi des contraintes comme les gneiss, certains quartzites, ou encore les

mylonites par exemple.

Cette micro-fissuration est très facile à observer sur une plaque mince de roche. Elle

peut être traversante, c'est-à-dire couper complètement nn cristal ou au contraire se limiter à

une partie du minéral. Elle peut aussi intéresser plusieurs minéraux . De toute façon, il sera

important de détemtiner l'ouverture moyenne des fissures, de s'assurer de la continuité du

réseau, de vérifier les relations avec les joints de grains.

Ces observations vont mettre en oeuvre une imprégnation par une résine fluide associée

à un colorant ou à une substance fluochrome (~ 6/J.

Un autre indice de réactivité peut être recherché dans la déformation du réseau du

minéral. Ces déformations trouvent leur origine dans les contraintes tectoniques subies par le

massif rocheux .

C'est le cas des quartz à extinction ondulante (~ 62). Selon Dolar Mantuani,

lorsque les quartz ont des angles d'extinction qui varient pour un même individu de plus de

30° d'une zone à l'autre, le minéral doit être considéré comme réactif. Pour que la roche

constihlant les granulats soit considérée comme réactive il faut que plus de 30% des quartz

aient cette caractéristique.

En fait, il apparaît que ces quartz à extinction ondulante sont souvent associés à des

micro-quartz de recristallisation, et, ph~s que dans la déformation du réseau, la réactivit~

devrait être recherchée dans la présence de ces micro-quartz associés. Les micro-quartz ont

des dimensions très souvent inférieures à 40 micromètres. Ils se caractérisent aussi par des

limites très irrégulières donnant un contour crénelé, enfin, ils se situent à la périphérie des

quartz primaires de la roche (~ 631.

Ces morphologies seront expliquées dans le paragraphe concernant la microscopie.

Ces recristallisations se rencontrent dans certains quartzites, dans des gneiss et

micaschistes, on peut aussi les rencontrer mais plus rarement dans quelques granites et

presque systématiquement dans la quasi totalité des roches cataclastiques.

Dans la prise en compte du risque alcali-réaction, les méthodes et essais normalisés capables

de le mettre en évidence, mentionnent ces micro-quartz et en donne une définition que reprend

le fascicule de documentation P 18-542.

74

En résumé: La réactivité du quartz eri milieu alcalin n'est pas très importante. Elle

dépend toutefois de plusieurs paramètres qui sont:

- son état de surface,

-sa granularité et sa morphologie,

-l'état de son réseau cristallin.

Les formes fibreuses, du fait de leur morphologie et de la dimension des individus cristallins,

montrent des surfaces spécifiques relativement importantes et une sensibilité notable dans les

solutions alcalines (~ 64).

lll-2 Cristobalite Tridymite:

Conune le quartz ces espèces répondent à la formule Si02

• Elles peuvent se présenter

sous deux formes, l'une dite de haute température que l'on rencontre dans certaines laves

acides (rhyolite, dacite, andésit, obsidienne), l'autre dite de basse température se rencontre

dans certaines roches sédimentaires siliceuses voire, dans certains calcaires. Elles apparaissent

dans ce cas corrune l'évolution d'une phase siliceuse qui a pour origine la silice en solution des

milieux marins ou lacustres.

-TRIDYMITE CRISTOBALITE

QUARTZ

CALCÉDOINE

Ces formes de silice peuvent aussi provenir de la transformation des tests siliceux des micro

organismes qui vont évoluer, d'une opale biogène vers une calcédoine et enfin un quartz.

III- 3 La calcédoine (I«Jat:e 4/J.

Elle apparaît souvent associée à la silice amorphe. On peut la rencontrer conune constituant

secondaire des roches volcaniques, mais elle se présente surtout comme le constituant

principal des silex et des chailles, qui sont des accidents siliceux fréquents dans les roches

carbonatées. Et, pour ce qui concerne le bétonnier, les silex sont les constituants majoritaires

des gravillons exploités dans les alluvionnaires du bassin de la Seine.

75

III -4 L'opale:

L'opale ou silice colloïdale (~ 421; associée au quartz et à la calcédoine, peut se trouver

dans les matériaux alluvionnaires. Elle confère alors au matériau une réactivité importante.

Dans ce cas, sa reconnaissance nécessite la réalisation de lames minces après enrobage des

grains dans nne résine. n peut être plus facile de reconnaître sa présence ~u microscope

électronique à balayage où elle apparaît conune tm enrobage sur les grains de quartz.

Beaucoup plus soluble dans les milieux à pH élevé que les autres formes de la silice, elle

est le minéral réactif par excellence. Mais sa très forte réactivité est à l'origine du phénomène

de teneur pessimale que nous avons présenté dans le chapitre traitant des généralités sur

l'alcali-réaction. En deçà de 2% le risque est faible de voir les réactions chimiques conduire à

des effets mécaniques pouvant aller jusqu'à la rupture du béton, de même au delà de 20% les

effets s'amoindrissent fortement, ceci bien sûr avec des ciments confèrant au béton une teneur

en alcalins ne dépassant pas 3 kg/m3.

III- 5 Les verres siliceux: fr~Dl4 ~ 24}.

Ils constihlent la phase vitreuse des roches volcaniques acides de type rhyolite. Ces verres sont

souvent plus ou moins dévitrifiés, il est possible d'estimer leur quantité de verre au microscope

mais, leur simple présence caractérise comme pour le minéral précédent, une réactivité

probable qu'il conviendra de vérifier à l'aide de l'tm des essais de caractérisation de la

réactivité potentielle [ P 18-588 ou P 18-589 ].

La~ 42 montre des traces de silice hydratée (opale si ) à la surface d'tm grain de quartz.

Confrontée à tm tel cas de figure, la chimie est impuissante (même analyse). La diffraction des

rayons X ne sera pas non plus performante (dilution trop importante d'un minéral qtù de plus

ne donne auctm pic de diffraction). La quantification pourra être obtenue à la rigueur par les

méthodes thermiques, la spectroscopie Infrarouge ou la microscopie après bien des hésitations.

Les essais de granulats convenablement choisis comme P 18 588 ou P 18 589 donneront une

réponse adaptée. On mesure ici l'importance du diagnostic pétrographique préalablement au

choix de l'essai.

76

mg/1

1000

500

100

50

Allure de la courbe de solubilité de la silice amorphe en fonction du pH

5~-~·~--~·-+--~-~·~--------~ 2 4 6 8 10 12 14 pH

mg/Ir---------------------------------,

50

25

silice amorphe

10 20 30

opale cristobalite

quartz

40 jours

Dissolution de différentes formes de Silice en fonction du temps

Douartz Silicalgel

ll!llllllllllll!ll!llllllllllli 1 Opale géologique Opale biogène

silice des Sols

10 20 30 40 50 60 70 mg/1 Relation entre concentration en Si des sols et la solubilité des différentes Silices

~ 65-' diagrammes de solubilité de différentes silices

77

78

IV ASPECTS MICROSCOPIQUES

Le diagnostic pétrographique intervenant dans le cadre de la norme P.lS-542, a pour but

de déceler les espèces pétrographiques susceptibles d'entraîner des désordres lors de leur

incorporation au béton.

«L'identification des minéraux présents peut pennettre de s'assurer de la non-réactivité de roches meubles

ou massives ou de granulats élaborés. Une roche ou un granulat est considéré comme non réactif si l'un des

critères quantitatifs ~uivants est satisfait:

- Cas général: l'analyse ne révèle pas d'espèces réactives en proportions supérieures à 2%.

- Cas des roches carbonatées:

soit la teneur en silice totale est inférieure à 4%.

soit la différence entre la silice et le quartz est inférieure à 3%.

- Cas des roches siliceuses types. quartzites ou grès:

Toute la silice est sous forme de quartz dont plus de 65% sont à extinction franche et, il n'y a pas de micro­

quartz de recn·stallisation. On désigne par microquartz de recristallisation les petits cristaux de quartz

secondaires de dimension souvent inférieure à 40 Jlm, à contours irréguliers qui se situent en bordure des

cristaux de quartz pn·maires de la roche et qui donnent à ces derniers un contour crénelé. »

Comme tout diagnostic pétrographique, l'étude orientée vers l'alcali-réaction est

grandement basée sur l'expérience de l'observateur, qui va pouvoir déceler par des techniques

microscopiques, des défauts, des modifications, et des indices susceptibles d'orienter son

diagnostic vers la non-réactivité ou la réactivité potentielle du granulat en question.

Quand on parle d'expérience il s'agit d'observations de granulats présents dans les bétons

dont les désordres sont constatés par l'intermédiaire de fissures par exemple. n s'agit donc, pour

la plupart du temps, d'ouvrages vieux de plusieurs dizaines d'années. D'autres observations sont

aussi liées à des essais réalisés en laboratoire et dans des conditions permettant d'accélérer les

processus de vieillissement.

IV-1 Ouelques aspects de l'altération de minéraux

L" altération correspond à la modification des propriétés physico-chimiques des minéraux,

par des agents atmosphériques, par des eaux souterraines. Elle dépend en particulier du climat, de

la température des eaux, de la nature des roches et de leur degré de fracturation. Elle a

généralement pour effet de rendre les roches moins cohérentes ce qui facilite leur désintégration.

Les processus d'altération largement décrits dans le chapitre 2, nous montrent que

l'hydrolyse des silicates, et tout particulièrement des feldspaths permet d'aboutir à la libération

des ions K ... ,Na ... , Ca ...... (particulièrement préjudiciables dans le cas qui nous préoccupe). En

fonction du drainage on aura une plus ou moins grande recombinaison de ces ions pour donner

naissance à des illites ou d'autres minéraux argileux comme des smectites. Ceci est Wl phénomène

courant dans la nature, et ce passé de la roche doit être pris en compte lors d'un diagnostic

d'alcali-réaction.

79

Si un minéral tel que le quartz peut être considéré comme inerte vis-à-vis de ce phénomène,

il n'en est donc pas de même pour les feldspaths et les minéraux ferro-magnésiens qui subissent

une intense décomposition au contact de l'atmosphère. Ce processus met en liberté des complexes

colloïdaux silicatés et des solutions, susceptibles de former par précipitation les divers ciments

des roches sédimentaires par exemple on voit donc nettement que si des minéraux ont été fragilisés

lors de leur « vie}> avant le béton, leur nouvelle situation, et surtout leurs nouvelles conditions

d'environnement ne feront qu'amplifier des processus déjà amorcés. Le travail du pétrographe est

donc de traquer ces formes d'altérations qui peuvent se révéler délétères par la suite.

IV- 1- A Exemple de l'altération des feldspaths:

Les altérations des feldspaths sont bien connues et peuvent être décrites ainsi:

La kaolinisation correspond à une altération par lessivage des alcalins avec formation de kaolinite

et plus rarement d'autres minéraux des argiles (halloysite, monhnorillonite ... ). Cette altération se

produit surtout sur des feldspaths alcalins (~ 66J. La kaolinite forme de très petites paillettes

souvent ultra-microscopiques donnant aux sections observées en lames minces une allure

nébuleuse, trouble, laiteuse.

La séricitisation, est une altération fréquente des feldspaths plagioclases et conduit à l'apparition

de séricite (qui correspond à un hydromica), cristallisé en fines paillettes souvent orientées selon

les plans de clivages ou de macle (~ 67 J.

D'autres types d'altération permettent d'aboutir à la formation de calcite+ quartz+ épidotes. La

présence de la calcite peut être particulièrement bien mise en évidence par l'utilisation d'tm

processus de cathodoluminescence monté sur le microscope optique à transmission. En effet celle­

ci n'existera qu'en très fins cristaux difficilement discernables de l'épidote par exemple.

La cathodoluminescence correspond à une émission d'énergie dans le domaine visible du

spectre électromagnétique après excitation des minéraux par bombardement d'électrons

(D.J.Marshall, 1988). Cette irradiation entraîne des dommages qui contribuent à l'augmentation de

la luminescence. La plupart des familles de minéraux donnent rme émission de

cathodoluminescence intense, due à la présence d'activateurs présents parfois en faibles quantités

comme Cr3+, Fe3+, Pb2+ • Les feldspaths peuvent accueillir Eu2+, Mn2

+, et Fe3+, qui donneront

respectivement une luminescence bleue, jaune-vert, et rouge. Cette méthode permet donc d'accéder

à certaines informations qu'une autre méthode ne révèle pas. Une étude menée au L.CP.C dans le

cadre d'un travail de DESS (R.Sorin, 1995) a montré que la plupart des altrérations de feldspaths,

dans différentes roches acides comme les rhyolites, les granites, consiste en la présence de calcite

particulièrement bien visible car ses couleurs de luminescence sont dans les tons orange vif (~

68' ~ - att6ei.et 69 ~ att6ti 1!# ~). n s'est révélé dans ces échantillons, que la

kaolinisation et la séricitisation étaient deux types d'altérations plus annexes.

VI-2 Incidence de l'état d'altération des minéraux sur leur réactivité potentielle.

Plusieurs facteurs sont susceptibles de rendre certains minéraux réactifs ou non. La plus ou

moins grande altérabilité de certains minéraux comme les feldspaths, on vient de le voir, ont une

80

influence sur leur réactivité en rrrilieu alcalin, par la remobilisation de certains ions comme K .. ,Na+,

Ca2+. Pour essayer de connaître l'influence du phénomène d'altération sur la réactivité potentielle

de certaines roches, une série d'essais a été réalisée en laboratoire sur des faciès pétrographiques

altérés et non altérés d'une même roche (rapport interne LCPC thème OA6,1992).

IV w 2 w A Relation entre altération des minéraux et production de produits de

réaction en milieu alcalin

Pour cette étude ont été choisis les faciès sains et altérés de roches, ce choix a pris en

compte la nature pétrographique, la teneur en alcalins, la dimension des cristaux ainsi que les

rapports Na20 /K20. Les natures pétrographiques retenues dans ces essais étaient les suivantes:

un granite, un quartzite, une cornéenne et une amphibolite.

Pour simuler le rrrilieu béton, des pastilles de roches sciées et polies, ont été soumises à une attaque

alcaline dans une solution de soude et d'eau de chaux pendant 72 h à sooc. Ces dernières ont été

observées, au rrricroscope électronique à balayage (M.E.B.), après cette attaque alcaline pour

vérifier si des produits de réaction se sont développés, et pour pouvoir comprendre comment ces

produits se forment. Un traitement secondaire, cette fois ci à l'acide chlorhydrique N/10, est

appliqué ensuite pour décaper ces produits de réaction et voir l'état des nùnéraux sous-jacents

(toujours au M.E.B.).

Les observations recueillies lors de ces différents traitements sont données roche par roche:

Tout d'abord on constate que les produits issus de cette attaque alcaline simulée donne naissance

à des produits de réaction ayant une morphologie tout à fait semblable de celles observées sur des

gels d'alcali-réaction en milieu béton: lisse (~ 70 J, plus ou moins organisé en nid d'abeille

(alvéolaire) !1<9- 71 !.ou en rosettes (lamellaires) !{ir- 72 a 73 J.

Roches produit produit produit Réactivité

lisse alvéolaire lamellaire

granite faciès sain - - +++ +

faciès altéré - - +++ +

quartzite faciès sain +++ +++ +++ +++

faciès altéré ++ +++ ++

cornéenne faciès sain +++ +++ +++ +++

faciès altéré + - +++ +

amphibolite faciès sain - - + -

faciès altéré - ++ - +

7~ K: synthèse des observations au rrricrscope électronique à balayage.

81

Des essais de gonflement sur éprouvettes ont été réalisés dans le but de vérifier les résultats

précédents.

Valeurs moyennes de gonflement

0.15

• GS

D GA

0,1 D QS

0

D s QA

~ ~ cs

"' 0.05 D CA

ml ' AS

D M

~ 74: gonflements obtenus à l'issue de la norme P.lS-585.

Si l'on compare les résultats du tableau 8 avec les valeurs de gonflement obtenus sur les

éprouvettes de mortier selon la norme P 18-585 fJI9-74 J. on constate que la pétrographie conduit

à un classement des roches par réactivité décroissante correspondant aux résultats obtenus par

l'essai de gonflement d'éprouvettes de mortier.

quartzite> cornéenne> granite> amphibolite

Cette constatation confirme que :

- la formation de produits lisses ou alvéolaires conduit à une réactivité aux conséquences

dégradantes,

- la réactivité se traduisant par la présence de produits lamellaires, même abondants, ne

peut conduire qu'à émettre des réserves quant à l'utilisation du matériau en milieu béton sans

l'interdire.

D'autre part ces produits lamellaires, de par leur morphologie organisée géométriquement,

laissent penser qu'il s'agit de produits cristallisés. La synthèse de ce type de produit a pu être

réalisée en laboratoire pour avoir la quantité suffisante en vue de pouvoir en réaliser une

diffraction de rayons X. un spectre a pu être obtenu ce qui implique que ce produit est cristallisé,

sa composition est celle d'une mountainite. Partant de ce fait, il est aisé d'imaginer qu'un produit

cristallisé sera nettement moins délétère qu'un produit mal organisé et très riche en eau (600%)

comme peut l'être le gel.

82

En rrûcroscopie optique, le gel d'alcali-réaction se repère par ses caractéristiques optiques

isotropes. En effet puisqu'il s'agit d'un produit amorphe, pour l'aspect le plus délétère, il n'a

aucune caractéristique optiques, et c'est par cette absence de critères que l'on peut l'identifier

(~ 75, 76. et 77). Lorsqu'il commence à cristalliser, celà se produit par la zone la plus externe,

périphérie d'un pore par exemple, il est alors capable de laisser passer une partie des vibrations et

donc de permettre l'obtention d'une image non isotrope(~ 7F J.

IV -3 Les défauts de la silice

Ce paragraphe sera consacré à dresser une liste, sous la forme de clichés photographiques,

des différents cas de modification de réseau siliceux ayant entraîné des désordres constatés, du

type alcali-réaction. Cette liste n'est pas exhaustive, elle est susceptible d'être étoffée, au gré et en

fonction de futures observations.

Le plus difficile dans ce paragraphe a été de déterminer tm ordre logique de présentation

des différents indices. n a été choisi de les donner en fonction de la plus grande abondance des

défauts:

IV - 3 - A Extinction ondulante :

Selon les auteurs le vocabulaire varie, on parle aussi bien d'extinction ondulante, que

d'extinction onduleuse ou d'extinction roulante, les anglo-saxons parlent d' »undulatory

extinction». D'après G.West 1990, l'extinction ondulante des grains de quartz de roches

granitiques est décrite comme tm phénomène de déformation plastique causée par la déformation

de la roche en conséquence de la cristallisation ou recristallisation du quartz. Ceci est correct dans

la théorie puisque les extinctions ondulantes sont absentes des grains de quartz n'ayant pas

souffert de déformations. li est délicat de discuter sur la valeur de l'angle d'extinction et d'avancer

des fourchettes de nocivité des cristaux en fonction de celui-ci. En effet la mesure précise de la

première extinction et la disparition de celle-ci est très dépendante de l'observateur. De plus

l'extinction n'est pas forcément simple comme sur la(~ 79 J. Parfois des formes plus complexes

peuvent apparaître (une extinction pas nécessairement suivant une série de bandes parallèles), et

si le quartz est divisé en plusieurs sous-grains, ceux-ci peuvent simuler une extinction ondulante

(~ S'Oaf!J.

IV - 3 - B Micro-quartz de bordure

De nombreux auteurs ont donc avancé que cette morphologie intra-cristalline d'extinction

ondulante, constituait une des principales raisons de la réactivité des grains de quartz, néanmoins,

il semble que ce qui est beacoup plus dangereux est la présence de micro-quartz (Grattan-Bellew,

1986) (~ 5'2 et 5'3 J. Ceux-ci se positionnent en bordure de grain.

83

IV 3 - C Phénomènes de dissolution par pression

L'extinction ondulante peut être associée à la formation d'inclusions fluides, apparaissant

sous la forme de points noirs, concentrés et suivants des lignes sub-parallèles. Elles ont

vraisemblablement cristallisé à basse température (comme par exemple dans des filons

hydrothermaux) ) (~ K4 J. D'autre part et sur cette image on peut voir un phénomène de

dissolution par pression mis en évidence par des contacts plus engrenés entre les cristaux,

rappelant des formes de joints stylolithiques, à une autre échelle. Les contacts deviennent plus

irréguliers, sinueux en raison de la dissolution par pression, ils peuvent affecter un grain ou

plusieurs grains(~ S'SI. La silice dissoute par le processus peut être précipitée plus loin sous la

forme d'un ciment par exemple. Cette dissolution par pression peut aboutir à une amorphisation

en bordure de grain se traduisant sur la~ 5'6 par des joints de grains de largeur différente (plus

ou moins noirs).

IV- 3 - D les structures symplectiques

La 1'9- Cl présente un bel exemple de structure myrmékitique, caractérisée par des

feldspaths plagioclases contenant du quartz vermiculaire. Cette disposition a souvent la forme

d'une excroissance et s'observe fréquemment au bord d'un cristal de plagioclase lorsqu'il pénétre

un cristal de feldspath alcalin (ici un microcline). On peut considérer qu'il s'agit d'une variété de

l'association symplectique. (Une association symplectique étant une interpénétration de deux

minéraux dans laquelle l'un des deux a un aspect vermiculaire).

Le fait que le quartz soit en habitus vermiculaire, en position intermédiaire entre ces deux

feldspaths traduit sa stabilité précaire, le rendant particulièrement vulnérable si la roche se trouve

plongée en milieu hyperalcalin.

IV- 3- E Les structures sphérolitiques

Dans certaines roches on peut trouver des sphérolites simples, composés ou agglutinés qui

sont entourés par du verre. Les sphérolites contiennent des micro-cristaux de plagioclases et de

biotites. La variation de couleur de ces sphérolites est due à une densité différente de fibres (~

rr et F9J. Ce type de structure peut s'observer dans des rhyolites mais les formes les plus classiques

de quartz sont celle de la Ji9- 90.

IV 4 Conclusions

En conclusion de ce chapitre il convient de préciser que les différents défauts présentés sur

ces roches siliceuses et silicatées sont le résultats d'un certains nombres d'observations réalisées au

gré d'études. Ces observations et cette présentation ne constituent en rien un document exhaustif

et pourrait être sans cesse étoffé en fonction de nouvelles études. Néanmoins, on retrouve toujours

plus ou moins les mêmes indices qui sont ceux présentés ici.

Ces indices et leurs façons de se manifester, permettent de ressortir quelques critères de

réactivité liés à la microstructure:

84

Tout défaut à l'échelle atomique représente autant de zones de fragilité susceptibles de

s'élargir si les conditions de pH deviennent basiques (avec mise en solution de la silice).

TI semble exister une« hiérarchie» dans cette fragilité puisqu'un verre siliceux libérera plus

de silice qu'un cristal juste endommagé. En conséquence, la quantification de la phase vitreuse

devient un élément important du diagnostic. L'utilisation du microscope optique polarisant, de

par ces caractéristiques de polarisation sera l'outil indiqué pour cette détermination et

quantification.

Enfin, dernier point, le phénomène d'altération ne constitue pas nécessairement un risque

mais setùement un signal d'alerte dans la mesure où les alcalins ont déjà été rernobilisés ailleurs,

après lessivage. Une roche dont les feldspaths sont altérés possède un déficit global en alcalins

par rapport à une roche saine, et donc par là même sera moins réactive vis à vis de l'alcali­

réaction.

85

86

87

88

?~ 79 : Quartz à extinction ondulante ?~ !O : Quartz divisé en sous-grains ?~Tl : Quartz divisé présentant des extinctions ondulantes ?~ !2 : Micro-quartz de recristallisation

89

90

~~ ~7 : Structure myrmékitique

~ ~9 : Sphérolites entourées de verre -.- ..

91

~ ~~: Sphérolites entourées de verre

'7~ 90 .· Qu;~rtz rhyolitique

Chapitre 4: CARACTERISATION DE LA REACTIVITE DES GRANULATS À L'AIDE D'ESSAIS NORMALISÉS

Outre les méthodes mettant en oeuvre les teclmiques de la pétrographie, il est possible de

mettre en évidence la réactivité des granulats aux alcalins au moyen d'essais normalisés qui font

appel : soit à la mesure de la solubilité de la silice en milieu alcalin, soit à des mesures de

variations dimensionnelles.

7Jtu. 9

S ... ~~ranu "" ~,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,-..;::

~ Essais de Gonflement Essai Chinrique Observations § milieu suralcalinisé solution de ~ Na OH

~ p 18-585 ~ Ep de mortier ~ ne teste que les ~ p 18-585 sables ~ 2,Sx2,5x28,5cm ~ issus deR meubles

E § durée 6 mois ayant- de 25% de s § 0,100 1 4,0 mm concassés s § A § I §

Ep de béton s § p 18-587 § p 18-587

§ 7x7x28cm ne teste que les L ~ duréeS mois gravillons

§ E § 0, 100/20mm N § T § s ~ formule avec

~ Essai P 18 587 granulats PRP § modifié à moins de 60% de §

duréeS mois silex ~ condition 2 Chap 9 § §

§ Essai microbar p 18-588 ~ p 18-588 domaine de validité:

E § Ep micro mortier ts types de granulats.,: s §

lxlx4cm capable de mettre ~ s ~ durée< 1 semaine en évidence les

A ~ 0, 160 1 0, 630 mm granulats PRP I § s § Autoclavage p 18-590 § p 18-590 domaine de validité : § Ep de mortier R § ts types de granulats A § 4x4xl6cm: ne reconnaît pas les § durée < 1 semaine p

~ 0,160 /5,00mm PRP

I D § E § Essai cinétique p 18-589 ~ s § p 18-589 capable de mettre

§ granulat broyé en évidence les § 0 --- > 0.315 mm granulats PRP, mais § durée < 1 semaine ne teste pas les § § calcaires dolomitiques

L'essai P 18-584 n'existe plus, il conviendra de ne plus y faire référence.

récapitulatif des essais de qualification des granulats

92

1 LES ESSAIS NORMALISES

1-1 Mesure de dissolution de la silice

1-1-A Test cinétique: Réactivité potentielle de type alcali-silice et alcali­

silicate: P 18-589

Origine et domaine de validité

Cet essai rapide mis au point par Lafarge Coppée Recherche permet de classer un

granulat ou un mélange granulaire en NR, PR ou PRP.

La méthode s'applique à toutes les roches sauf aux roches carbonatées à prédominance

dolomitique± argileuses; d'autre part, certains matériaux très riches en silice réactive épuisent la

solution d'attaque avant la première échéance de mesurei de tels matériaux ne peuvent être

qualifiés par cet essai.

Une des caractéristiques de cet essai est de travailler sur une étendue granulaire comprise entre

0 et 315 ~m, ce qui suppose un broyage du matériau. Cette opération de broyage est beaucoup

plus importante qu'il n'y parait à première vue. Réalisée de façon trop énergique (utilisation du

vibrobroyeur par exemple), elle conduit à une amorphisation de surface qui va rendre le

matériau plus sensible aux alcalins. Aussi, il convient de réaliser un broyage manuel ménagé

dans un mortier d'agate.

Interprétation des résultats

Pour un granulat donné, il est mesuré plusieurs valeurs du rapport de la concentration

molaire Si02 1 Na20 ( généralement 3 après 24 h, 48 h et 72 h de contact entre les granulats et

la solution alcaline ).

Les valeurs de ce rapport sont reportées sur un graphe qui divise le plan en 3 zones:

Zone NR :. Grafl:~lat ~~~ ré<!~~f

Points de la courbe frontière entre les zones NR et PR

abscisse 24H 48H 72H 96H

ordonnée 0,12 0,24 0,44 0,63

0~~.r.~.:.9~~~~-~~.P.<?.~~!!~~);L~~~~.!~~~~! Points de la courbe frontière entre les zones PR et PRP

abscisse 24H 48H 72H 96H

ordonnée 1,05 1,50 1,75 1,95

93

Le granulat sera qualifié en fonction de la position de sa courbe représentative dans le graphe.

Dans le cas où après 72 heures l'interprétation resterait incertaine (courbe atypique), les

résultats des essais devront être confirmés et complétés par une mesure à une échéance plus

lointaine (96 H par exemple).

Lorsque la courbe représentative de l'échantillon s'approche, pour plus d'un point, à

moins de 10 %de la limite des zones NR et PR, il est nécessaire de confirmer le résultat par un

essai de stabilité dimensionnelle. On procédera de même lorsque la courbe représentative du

granulat chevauche les zones PR et PRP. L'essai à réaliser dans ce cas est actuellement celui qui

est conforme à la norme P 18-588.

2.0 -!----

'·' rnk, -r-.!:~ v v 'P~

/ !..0~ '·0 /

/ -f--""'Nif' v 'T-'

o.s

o.o 24 48 72 96

Temps en heures

?"Jt- 11: Graphique représentatif des zones définies par l'essai cinétique P 18-589

Lorsqu' à l'issue de l'essai de dissolution de la silice, un point quelconque de la courbe

représentative de l'échantillon se trouve dans la zone PR ou sur une limite PR/PRP ou PR/NR,

le granulat devra être considéré comme PR.

I - 2 - Mesures de variations dimensionnelles sur éprouvettes de mortier ou de

béton

On mesure dans tous les cas une expansion sur éprouvettes et le document normatif fixe une

valeur plafond qui constitue le seuil de non réactivité.

1 - 2 -A Essai sur mortier P 18-585

Origine et domaine de validité

Cet essai s'applique uniquement aux sables naturels issus de roches meubles renfermant moins

de 25% d'éléments concassés. Inspiré de l'essai ASTM C 227 il a été mis au point dans le

laboratoire de Lafarge Coppée Recherche.

ll mesure le gonflement d'éprouvettes de mortier 2.5 x 2.5 x 28 cm conservées à 38° C en

atmosphère saturée à 3 et 6 mois.

94

Critères de non réactivité ·

Echéance Expansion

• 3 mois (à titre inférieure à 0,05%

indicatif)

• 6 mois inférieure à 0,10%

Seule la valeur à 6 mois sera prise en compte pour qualifier le granulat.

Détection des granulats PRP

Si les analyses minéralogiques et pétrographiques ont révélées plus de 60% de silex ou plus de 3

%d'opale dans un sable qui satisfait les critères de non réactivité celui-ci sera classé PRP.

1- 2- B Essai sur béton P 18-587

Origine et domaine de validité

L'essai s'applique uniquement aux gravillons, sauf si ceux-ci renferment plus de 50% de silex ou

3% d'opale, dans ce cas, l'essai ne s'applique pas.

Inspiré de l'essai canadien ACNOR CSA A23.2-14A il a été mis au point dans le

laboratoire de Lafarge Coppée Recherche. ll mesure le gonflement d'éprouvettes de béton 7 x 7 x

28 cm conservées en atmosphère saturée à 38° C pendant 8 mois.

Cr"tère de non réactivité 1

Echéance Expansion

• 8 mois inférieure à 0,04%

1 - 2- CEssai sur mortier MICROBAR : P 18-588

Origine et domaine de validité

Cet essai mis au point par le laboratoire de Calcia Ciment Français s'applique à tous

types de granulats et aux mélanges granulaires qu'il permet de classer en NK PR PRP . C'est tm

essai rapide (durée 3 jours) sur éprouvettes de mortier 1 x 1 x 4 cm, soumises à une cure à la

vapeur d'eau suivie d'une cure en milieu alcalin à l'autoclave.

ll porte sur des mortiers d'étendue granulaire 0,160 mm - 0,630 mm à 3 rapports

ciment/granulat (C/G): 2, 5, 10.

Critère de non réactivité

Sur chacune des moyennes mesurées pour les 3 rapports dment 1 granulat (C/G) considérés:

Expansion inférieure à 0,11%

95

Détection des granulats PRP

Ces granulats se distinguent des granulats NR ou PR par le fait que les valeurs

d'expansion mesurées lors de l'essai réalisé avec le rapport C/G = 2, sont inférieures aux

valeurs obtenues avec les rapports 5 ou 10 . C'est le cas par exemple lorsque l'essai porte sur 1.m

granulat renfermant plus de 50% de silex ou 3% d'opale. (Le fascicule de documentation P 18-

542 montre un exemple).

1- 2- D Essai accéléré à l'autoclave sur mortier P 18-590

Origine et domaine de validité

Cet essai mis au point dans le cadre d'un programme de recherche CEBTP /LCPC

s'inspire d'un essai japonais. il s'applique à tous types de granulats et. aux mélanges granulaires.

C'est un essai rapide (durée 3 jours) qui porte sur des éprouvettes de mortier

4 x 4 x 16 cm, avec cure à l'autoclave. L'étendue granulaire est celle d'un sable proche des sables

couramment produits en carrière (0,100 mm- 5 mm)

Critères de non réactivité :

Expansion inférieure à 0,15 %sur la moyenne des trois résultats

II- AUTRES ESSAIS DE QUALIFICATION

Indépendamment des essais normalisés de qualification de granulats faisant l'objet du

fascicule de documentation P 18-542, il existe d'autres essais comme l'essai Sud Africain qui

donne une qualification des granulats à partir d'une mesure de variation dimensionnelle

d'éprouvettes mises en cure dans une solutiOn de soude pendant quinze jours.

Il-l Principaux essais étrangers

Il n'est pas nécessaire de procéder ici à une revue exhaustive et détaillée des essais existants de

par le monde. ll n'est toutefois pas inutile de connaître leur existence et leur principe.

11-1-A Essai ASTM C127

C'est l'essai qui a servi de modèle à l'essai AFNOR P 18-585 lequel s'est contenté d'apporter

des améliorations aux conditions de conservation (réacteur et conteneurs mis au point par

R.Ranc) garantissant une humidité relative toujours voisine de 100%. Les seuils et la durée de

cure ont été conservés.

96

11-1-B Essai NBRI ou essai« Sud Africain»

C'est un essai de mesure des variations dimensionnelles d'éprouvettes de mortier 2,5x2,5x28cm.

Les prismes sont démoulés après 24h et portés à 800C dans l'eau pendant 24 h. A l'issue de

cette cure, ils sont conservés à 23°C pour une mesure initiale. Les éprouvettes sont ensuite

immergées dans une solution de soude normale à 80°C. Chaque jour elles sont mesurées après

un retour à 23°C et ce pendant 14 jours. L'expansion à 12 jours est prise comme référence pour

apprécier la réactivité potentielle. Le seuil est fixé à 0,10% comme dans l'essai ASTM.

11-1-C Essai« Tang»

C'est l'essai qui a servi de base à l'essai P 18-588 proposé par C.Défossé et A.Criaud li les

éprouvettes 1xlx4cm sont réalisées à partir de matériaux ayant subi une réduction granulaire

pour donner une fraction 0,15/0,75mm. Le milieu de conservation est une solution de KOH à

10% et la cure est réalisée pendant 6 heures dans un autoclave sous 0,15 Mpa.

11-1-D Essai« Nishibayashi >>

Réalisé sur des éprouvettes 4x4x16cm, cet essai accélère les réactions en suralcalinisant l'eau de

gachage par la soude et en faisant subir aux éprouvettes nne cure à l'autoclave pendant Sheures

à 130°C.

11-1-E Essai« Tamura »

Cet essai a servi de point de départ à la mise au point de l'essai P 18-590. ll teste un mortier

sur-alcalinisé auquel on fait subir une cure à l'autoclave. TI apprécie la réactivité par l'existence

ou non de fissures visibles à l'œil et par la mesure de l'atténuation des ondes ultrasonores.

Enfin, il est possible de qualifier une formulation de béton à partir d'un essai testant une

formule réelle de béton en appliquant une procédure proche de celle de l'essai P 18-587.

Le schéma suivant détaille les apports de la pétrographie à la démarche de qualification

des granulats mise en oeuvre à la fois dans le FDP 18-542 et dans le document

Recommandations.

97

Schéma

Roches Carbonatées

OUI 0 1

non Réactif

réaliser l'un des essais p 18-588, p 18-589, p 18-590

ou, un essai à long terme P 18-585, P 18-587 dans leur domaine de validité respectif

Roches Siliceuses , silicatées

et silico calcaires

pratiquer les essais p 18-588 p 18-589

Le caractère non réactif est incompatible avec l'identification de 3%

la confirmation peut être apportée

par p 18-585 *

potentiellement

d'opale reconlirmer (0°)

Réactif ~----------------~------~

Ce schéma met bien en évidence l'ordre qu'il convient de suivre afin de qualifier un matériau vis-à-vis de l'alcali-réaction; premièrement de la pétrographie puis, ensuite un essai dont le choix dépend du diagnostic pétrographique cf FD P 18-542.

98

Document publié par le LCPC sous le No 502261 Dépôt légal1'"trimestre 1999

ISBN 2-7208-2610-8 IMP. SMI- 94100 SAINT-MAUR-

A. lE ROUX, j . THIEBAUT,

j .-S. GUÉDON, C. WACKENHEIM

Pétrographie appliquée à l'alcali-réaction

Si l'alcali-réaction n'est pas la première cause de désordre des ouvrages en béton, elle est vécue par les gest ionnaires d'ouvrages comme une infinnité qu'il est difficile de combattre lorsqu'elle e st déclarée, par les entreprises et les maîtres d'oeuvre comme la traduction d'une certaine légèreté dans le choix des constituants du béton, voire da ns leur mise en œuvre.

De fait, l'alcali-réaction trouve son origine dans la réponse qu'apportent certains minéraux au déséquilibre dû au caractère t rès alcal in du milieu béton. A ussi, il est apparu comme très important d 'engager une démarche préventive associée à un processus d'identitïcation du risque. La pétrographie est l'outil incontournable qui autorise à la fo is une reconnaissance rapide des espèces réactives, de leur abondance et de leur accessibilité a ux solut ions agressives du bé ton.

Le premier chapitre présente de façon succinc te le matériau béton et les principaux paramètres qui conduisent à l'apparition des désordres. Une place pa rticulière est faite à la no tion de pessi mum qui e st un des caractères qui rendent ces réactions complexes. Sont présentées également, les manifestations de la réaction. son extension en France ainsi qu'une méthode capable d'apprécier l'intensité des désordres.

Le de uxième chapitre, à l'aide d' illustrations, présente les notions élé mentaires de pétrographie ; simple rappel, elles devraie nt néanmoins permettre aux non spécialiste s de ne pas s'égarer dans le maquis des roches et des minéraux. Les très nombreuses illustrations de ces deux premiers c hapitres aideront le lecteur à mie ux reconnaître les d ifférents ind ices qui vont donne r aux minéraux leurs caractères réactifs et à .mieux identifier les différents produits issus de la réaction.

Le troisième chapitre. après avoir rappelé qu'une bonne caractérisation nécessite e n premier lieu un échanti llonnage rigoureux. présente les caractères qui vont faire d'un minéral une source potentie lle de silice aisément disponible dans le mi lie u béton.

Un de rnier c hapitre présente les essais normalisés de caractérisation de la

réact ivité po tentielle aux alcalins. Ces essais sont le compléme nt indispensable de la déte rmination pétrographique. et pour certains, leur domaine de validité réduit impose une caractérisation préalable de la roche, seule façon de c hoisir l'essai le mieux adapté au maté riau .

Prix : 220 F HT

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