Le béton est le matériau artificiel le plus utilisé sur Terre et est généralement considéré comme l’un des matériaux de construction les plus abordables, les plus polyvalents et les plus résistants, selon Aleksandra Radlińska, professeure de génie civil et environnemental à Penn State. Malgré cela, elle reconnaît que les structures en béton peuvent être plus sensibles aux dommages qu’on ne le pensait initialement, en particulier lorsqu’elles sont exposées à certains minéraux présents en Pennsylvanie, selon l’United States Geological Survey.
Radlińska, en collaboration avec une équipe de chercheurs de Penn State et de l’université de Géorgie, a co-rédigé une étude récente publiée dans le numéro de juillet de Cement and Concrete Research. Leurs travaux ont exploré les impacts de deux minéraux de sulfure de fer présents naturellement dans l’environnement, la pyrrhotite et la pyrite, sur l’intégrité structurelle du béton. Si des recherches approfondies ont été menées sur les effets de ces minéraux dans des environnements acides ou à faible pH, Mme Radlińska a déclaré que l’on en savait moins sur la manière dont ces minéraux interagissent avec des matériaux à pH élevé comme le béton. Selon Mme Radlińska, une meilleure compréhension de l’impact de ces minéraux sur le béton pourrait à terme contribuer à éclairer la conception et la rénovation des infrastructures dans tout le Commonwealth.
Dans cette interview, Mme Radlińska explique pourquoi le béton est sensible à ces minéraux de sulfure de fer et ce que les ingénieurs peuvent faire pour concevoir des matériaux en béton résistants aux facteurs environnementaux.
Q : Qu’est-ce qui rend l’intégrité du béton sensible aux minéraux de sulfure de fer ? Où trouve-t-on ces minéraux dans l’environnement ?
Radlińska : Le béton est sensible aux minéraux de sulfure de fer en raison de sa réactivité chimique et de sa capacité à subir des réactions d’oxydation et d’expansion en présence d’eau et d’oxygène. La formation de produits semblables à de la rouille et de minéraux sulfatés secondaires induit des contraintes internes et une expansion au sein du béton, ce qui entraîne des fissures, des éclats et, à terme, l’effritement des structures en béton. C’est particulièrement le cas pour les fondations en béton exposées à l’humidité du sol, où les agrégats (les roches concassées ou le sable mélangés au ciment pour créer le béton) ont été contaminés par de la pyrrhotite, un minéral de sulfure de fer très courant. Les implications économiques et sécuritaires d’une telle dégradation comprennent une augmentation des coûts d’entretien et de remise en état, ainsi qu’une compromission de l’intégrité structurelle.
La pyrrhotite est généralement associée à des gisements de sulfures de métaux communs et se trouve dans les roches ignées, sédimentaires et métamorphiques, différents types de roches présentes en Pennsylvanie. La pyrrhotite est apparentée à la pyrite, un minéral plus courant et mieux connu, également appelé « or des fous », mais elle en diffère par sa teneur en soufre plus faible et sa réactivité beaucoup plus importante à l’eau.
Q : Outre ces minéraux de sulfure de fer, quels autres minéraux ou facteurs environnementaux ont un impact sur l’intégrité structurelle du béton au fil du temps ?
Radlińska : Le béton, bien qu’il soit un matériau de construction durable et souvent choisi par les entreprises de construction du monde entier, est un matériau chimiquement réactif. Son intégrité structurelle peut être compromise à la fois par des composants internes, tels que des minéraux nocifs, qui peuvent être dangereux pour les personnes ou rendre les structures sujettes à l’usure, et par des facteurs environnementaux externes, tels que les conditions météorologiques ou l’érosion. Parmi les réactions délétères fréquemment observées, on peut citer les réactions alcali-silice, qui ont fait l’objet de recherches approfondies à Penn State, les réactions alcali-carbonate dues à des minéraux carbonatés tels que la dolomite, l’attaque par le chlorure — où le chlorure corrode les structures de renforcement à l’intérieur du béton —, les dommages causés par les cycles répétés de gel et de dégel, et la carbonatation, pour n’en citer que quelques-unes. Malgré sa sensibilité à ces réactions, le béton s’avère être l’un des matériaux de construction les plus résistants et les plus polyvalents, et à ce titre, il est choisi et conçu pour une grande variété de conditions climatiques et environnementales.
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Q : Quels types de bâtiments et d’infrastructures sont les plus touchés par ces conclusions ? Comment cela affecte-t-il le Pennsylvanien moyen ?
Radlińska : Aux États-Unis, les dommages causés par la pyrrhotite touchent principalement les bâtiments résidentiels et les structures de faible à moyenne hauteur qui utilisent du béton fabriqué à partir d’agrégats locaux contaminés par des minéraux de sulfure de fer, en particulier dans les fondations des structures. Si les défaillances du béton liées à la pyrrhotite sont plus fréquentes dans le Connecticut et le Massachusetts, certaines parties de la Pennsylvanie sont géologiquement vulnérables en raison de formations rocheuses sédimentaires contenant des sulfures de fer.
Q : Comment avez-vous testé les effets de ces minéraux sur le béton ?
Radlińska : Il est possible de détecter la pyrrhotite dans les agrégats, mais l’estimation de son impact et de son potentiel de dommages sur le béton est un travail en cours. Dans le cadre de nos travaux récents, nous avons étudié la cinétique et les mécanismes de dissolution du sulfure de fer à des niveaux de pH élevés en concevant une série d’expériences en réacteur discontinu, qui nous permettent de tester et de surveiller les réactions dans un environnement idéal. La cinétique de la dissolution du sulfure de fer a été évaluée en déterminant le taux de libération de soufre dans les solutions. Ces tests nécessitent généralement des conditions de laboratoire contrôlées et peuvent prendre beaucoup de temps, mais ils sont nécessaires pour établir un point de référence et développer des protocoles de test plus rapides et plus faciles à mettre en œuvre sur le terrain.
Q : Quels sont les meilleurs moyens de protéger le béton contre la dissolution au fil du temps ?
Radlińska : Lorsqu’il est correctement conçu, le béton peut durer des millénaires. La science des matériaux du béton a considérablement amélioré notre compréhension de ce matériau et a permis d’élaborer des stratégies d’essai des matériaux, ainsi que des adjuvants chimiques et minéraux, qui adaptent chaque mélange de béton aux exigences locales spécifiques. Cependant, il s’agit d’un domaine de recherche actif et en pleine évolution, où les nouveaux matériaux et les nouvelles exigences nécessitent des solutions innovantes et adaptatives. Concrètement, cela implique de choisir un mélange de béton à faible perméabilité afin de minimiser la pénétration d’eau et de chlorure, de tester les granulats à utiliser dans le béton et de mettre en œuvre un entretien et une inspection réguliers. Grâce à cela, nous pouvons espérer que les infrastructures en béton dureront non seulement plus longtemps, mais seront également plus résistantes, ce qui garantira qu’elles resteront un choix solide pour les générations à venir.
Parmi les autres coauteurs de Penn State figurent Christopher Gorski, professeur d’ingénierie environnementale, Zhanzhao Li, qui a récemment obtenu un doctorat en génie civil, et Jeff Shallenberger, professeur assistant de recherche à l’Institut de recherche sur les matériaux. Parmi les autres coauteurs figuraient Aaron Thompson, professeur de chimie environnementale des sols à l’université de Géorgie, et Gopakumar Kaladharan, chercheur senior chez USG Corporation et ancien élève en génie civil de Penn State. La Fondation nationale pour la science des États-Unis a soutenu ces travaux.
Source : U. Penn State
