Quand les barrages vieillissent

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Le béton est très durable. C’est pourquoi il s’agit du matériau de construction le plus utilisé au monde. Mais le béton vieillit lui aussi. Des fissures apparaissent alors, comme conséquence de la réaction alcali-granulat (RAG). Selon des estimations, il est possible que 10 à 20 % des barrages des Alpes suisses soient concernés par cette dégradation répandue, également nommée le «cancer du béton». Un projet de recherche à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) élabore une base afin que les ingénieurs puissent réagir de manière appropriée à la formation de fissures.

Par Dr Benedikt Vogel (OFEN)

Il existe plus de 200 lacs de barrage dans les Alpes suisses. L’un d’entre eux est le lac de Salanfe au-dessus de Martigny (VS). Le barrage construit en 1952 mesure 52 m de haut et a une couronne de plus de 600 m de long. Quelque 230000 m3 de béton ont été utilisés pour ce barrage de taille moyenne. Les générateurs dans le bâtiment des turbines fournissent fiablement du courant depuis des décennies. Il s’agit d’un lac de barrage tout à fait normal pour les randonneurs qui admirent les Alpes valaisannes. Mais les DocarDFSK_F_220x280pxapparences sont trompeuses. Il y a quelque temps, on a pu constater que les murs en béton se dilataient sur des périodes prolongées, de façon certes très lente mais mesurable. Plus tard, on a constaté que cette dilatation s’accompagnait de petites fissures. Ce processus qui se poursuit très lentement mais continuellement au fil des années peut provoquer une dilatation de plusieurs centimètres. Un processus qu’il n’est pas possible de stopper selon les connaissances actuelles.

Le barrage de Salanfe présente les signes de vieillesse typiques du béton. Le phénomène a été observé pour la première fois sur un barrage suisse au milieu des années 90. Depuis lors, plusieurs barrages des Alpes ont été concernés. La cause de cette altération est un processus physique-chimique très lent: la réaction alcali-granulat (RAG). Cette réaction provoque de fines fissures à l’intérieur du béton. Avec le temps, ces fissures peuvent s’étendre jusqu’à la surface et provoquer l’apparition de réseaux visibles.

Des fissures sur un barrage – cela ressemble à une menace imminente. Karen Scrivener est professeur à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et experte en RAG. Elle ne voit aucune raison de s’inquiéter: «Dans de nombreux cas, les conséquences de la RAG sont si minimes qu’on ne peut pas véritablement parler d’altération du béton. Les barrages suisses sont soumis à une surveillance stricte qui permet de détecter d’éventuels dangers de manière précoce», affirme-t-elle.

« le béton gonfle lentement »

Même s’il n’existe aucune menace imminente actuellement, les fissures dans les barrages font l’objet de recherches intenses. Depuis environ dix ans, Karen Scrivener, ingénieur britannique en génie des matériaux, étudie le phénomène pour les matériaux de construction dans un laboratoire de l’EPFL. La réaction alcali-granulat a déjà fait l’objet de trois doctorats rédigés dans sa chaire. Une expérience financée par l’Office fédéral de l’énergie et Swisselectric Research analyse actuellement et sur plusieurs années le comportement du béton en cas de RAG. Pour compléter l’expérience, les scientifiques de l’EPFL élaborent des modèles mathématiques afin de pouvoir comprendre de manière aussi réaliste que possible les processus qui se déroulent dans le béton.

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Sous pression                                                                                                                Le Dr Cyrille Dunant travaille dans un labo- ratoire souterrain de l’EPFL. C’est là que le collaborateur scientifique de Karen Scrivener a monté sa dernière expérience sur quelques mètres carrés. Cet ingénieur en génie des matériaux de 35 ans veut analyser à quelle vitesse le béton se dilate sous l’influence de la RAG. Contrairement aux expériences précédentes, le nouvel essai tient compte du fait qu’un barrage concerné par la RAG ne peut pas se dilater librement. La pression exercée sur les différents côtés permet d’agir contre la dilatation: celle du lac de barrage, du massif avoisinant et du poids propre du béton.

Six cylindres en acier inoxydable de 150 cm de hauteur et 30 cm de diamètre ont été construits en laboratoire en collaboration avec des collègues scientifiques. Ces cylindres contiennent des échantillons de béton entourés d’eau dans lesquels une RAG a lieu. Chaque échantillon de béton, dans l’ordre d’essai vertical et horizontal, est exposé à des pressions différentes situées entre 0 et 15 mégapascals (ce qui correspond à 150 bars). L’expérience est en cours depuis déjà dix mois et doit durer encore au moins aussi longtemps. Les capteurs mesurent le niveau de dilatation dû à la RAG des échantillons de béton dans les cylindres en acier inoxydable toutes les 30 secondes. Les valeurs de mesure sont transmises à un ordinateur installé dans la salle voisine par le biais d’un câble en fibres de verre. «L’expérience est encore en cours et nous ne sommes pas encore en mesure d’en tirer des conclusions définitives, affirme Cyrille Dunant, mais ce que nous avons mesuré jusqu’à présent nous a extrêmement surpris.» En dix mois, le volume des échantillons de béton a augmenté jusqu’à 0,7 %. Contrairement à ce que Dunant avait prévu, la pression ne semble pas empêcher l’expansion du béton.

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Besoin d’espace?                                                                                                           Si ce résultat se confirme au cours de l’expérience, cela voudrait dire que la dilatation provoquée par la RAG du béton a lieu même sous pression. Cela signifie-t-il que la menace est bien présente? Cyrille Dunant répond par la négative: «Dans ce cas, le danger ne serait pas plus grand mais différent de ce que nous pensions jusqu’à présent.» Les résultats du laboratoire de l’EPFL fournissent en effet des informations importantes aux ingénieurs sur la manière de procéder au mieux avec les barrages concernés. Jusqu’à présent, nous avons rénové les barrages en ouvrant des fentes afin de créer de l’espace pour la dilatation du béton. C’est ainsi que le barrage de Salanfe a été assaini il y a deux ans: les ingénieurs ont fait 22 entailles de 11 mm d’épaisseur avec un fil diamanté. Ces entailles, comme le supposent les ingénieurs, augmenteraient la sécurité des barrages car le béton subit moins de dommages s’il peut se dilater.

Cyrille Dunant veut vérifier cette hypothèse. Comme supposé jusqu’à présent, il admet l’éventualité que le béton ne se dilate pas proportionnellement à la quantité de gel de silice formé par la RAG mais proportionnellement au nombre de fissures. «Si l’expérience confirme mon hypothèse, ce serait une grande découverte pour les ingénieurs spécialisés en barrages. Cette découverte pourrait permettre dans certains cas d’éviter les entailles dans les barrages à l’avenir », dit-il. Les chercheurs de l’EPFL soulignent également que nous ne pourrons jamais renoncer complètement aux entailles. Ces dernières sont nécessaires, par exemple pour éviter les déformations du bâtiment des turbines susceptibles d’altérer la génération d’électricité. L’assainissement par entailles serait également judicieux pour le barrage de Salanfe en raison de sa géométrie particulière. Cela s’applique aussi à d’autres barrages suisses.

Ces réflexions montrent l’importance que l’expérience de longue durée réalisée au sous-sol de l’EPFL pourrait prendre. Dans un premier temps, Cyrille Dunant doit faire preuve de patience. Avec son expérience, il a imité un processus qui prend un demi-siècle dans la nature. Pour ne pas avoir à attendre les résultats aussi longtemps, le chercheur accélère le processus en laboratoire. Grâce à une température plus élevée, la dilatation du béton due à la RAG a lieu en accéléré. C’est pourquoi la température est de 38 °C dans le laboratoire. Ainsi, la dilatation du béton est environ 20 fois plus rapide que dans la réa- lité. Et les chercheurs obtiennent les résultats 20 fois plus vite.beton alcali