L’emploi du microscope pétrographique en génie civil pour l’identification des sulfures

Les géologues d’ABS ont plus de 20 ans d’expérience dans l’emploi du microscope pétrographique. Ce dernier est un outil précieux et efficace pour détecter et identifier les sulfures présents dans les granulats. Son utilisation est indispensable lors de l’examen minutieux des granulats destinés à la fabrication du béton.

Processus de dégradation du béton par les sulfures

Il est bien établi que le béton peut subir une dégradation consécutive à l’oxydation des sulfures, notamment la pyrite (FeS₂) et la pyrrhotite (Fe_1-xS), lorsqu’ils sont exposés à l’eau et à l’oxygène.

En présence de ces éléments, le fer contenu dans les sulfures peut subir une réaction d’oxydation, conduisant à la formation d’oxyhydroxydes de fer, tels que la goethite (FeO(OH)).

Parallèlement, le soufre libéré peut interagir avec l’oxygène, le calcium et l’eau présents dans la pâte de ciment ou les granulats eux-mêmes, engendrant la formation de sulfates, tels que le gypse (CaSO₄·2H₂O) [1].

Les sulfates occupent généralement plus de volume que les sulfures d’origine, ce qui entraîne un gonflement du béton.

Ce gonflement peut provoquer des contraintes internes dans la structure du béton, conduisant à des fissurations et à une diminution de la durabilité du matériau.

De plus, les sulfates peuvent induire d’autres réactions chimiques avec certaines composantes de la pâte de ciment, ce qui peut aggraver davantage les problèmes de durabilité du béton.

Identification des différents types de sulfures

Si les analyses chimiques peuvent fournir des teneurs totales de soufre et de sulfates, elles ne permettent pas de différencier les différents types de sulfures présents dans les granulats. C’est pourquoi l’utilisation du microscope pétrographique est essentielle pour cette identification spécifique.

Cette distinction revêt une importance capitale lorsqu’il s’agit d’utiliser des granulats dans la production de béton, car les divers types de sulfures réagissent différemment lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et à l’eau. Par exemple, la pyrite framboïdale présente une réactivité bien plus élevée que la pyrite bien cristallisée, tandis que la pyrrhotite affiche une réactivité nettement supérieure à celle de la pyrite en général.

Par conséquent, savoir quel type de sulfure est présent dans les granulats est essentiel pour déterminer si ces granulats peuvent être utilisés en toute sécurité dans la construction du béton, ou s’ils doivent être rejetés pour éviter des problèmes potentiels.

Bien qu’à l’heure actuelle, aucune norme québécoise ne régit l’interprétation ou la quantification des résultats visant à déterminer les risques de réactivité nuisible des granulats contenant des sulfures, l’annexe P de la norme CSA A23.1 indique que si la teneur en soufre provenant des sulfures (c’est-à-dire, soufre total – soufre des sulfates) ainsi déterminée est inférieure à 0,15 %, le granulat peut être utilisé sans être soumis à d’autres examens.

Si la teneur en soufre provenant des sulfures est égale ou supérieure à 0,15 %, la nature des sulfures présents devrait être déterminée au moyen d’un examen pétrographique ou d’une autre méthode appropriée.

Enfin, l’article indique que les granulats dont la teneur massique totale en soufre est supérieure à 1,00% ne doivent pas être utilisés comme granulats de béton.

Si la présence de pyrrhotite est décelée, les granulats ne devraient pas être utilisés; or, celle-ci peut être déterminée uniquement à l’aide d’un microscope pétrographique ou électronique, la première option étant moins dispendieuse.

Utilisation du microscope pétrographique

Au microscope pétrographique, la différenciation entre la pyrrhotite et la pyrite commence par leurs couleurs de base.

La pyrite présente une teinte blanche jaunâtre, tandis que la pyrrhotite affiche une couleur rose saumon.

C’est en observant les propriétés optiques de la structure des minéraux que les géologues peuvent identifier ceux-ci.

Par exemple, la pyrite cristallise dans le système cubique[2], ce qui signifie que ses propriétés optiques sont les mêmes dans toutes les directions; elle est donc isotrope. La pyrrhotite, elle, cristallise dans le système monoclinique[3], ce qui signifie que ses propriétés optiques sont différentes dans différentes directions; elle est donc anisotrope.

En utilisant la lumière réfléchie avec un polariseur supérieur et en manipulant la platine, le géologue verra que la pyrrhotite présente une variation de couleur allant du jaune au gris bleuâtre ou verdâtre, tandis que la pyrite reste sombre. Ces observations mettent en évidence des propriétés optiques distinctes entre ces deux sulfures, permettant ainsi de les différencier efficacement au microscope.

La pyrite a aussi plus de réflectance, c’est-à-dire qu’elle brille plus que la pyrrhotite.

Outre les propriétés optiques, d’autres distinctions entre ces deux minéraux peuvent être observées au microscope. Par exemple, la pyrite cristallisée en cubes est facilement identifiable et se distingue des autres minéraux.

De même, la pyrrhotite a tendance à s’oxyder plus rapidement que la pyrite, résultant en une altération plus prononcée lorsque les sulfures sont altérés.

De plus, il est parfois possible d’observer la dureté relative des minéraux métalliques au microscope pétrographique. Un polissage est nécessaire pour observer ces minéraux en lame mince, laissant parfois des stries visibles sur leur surface. Les minéraux les plus durs, comme la pyrite, présentent moins de stries que les autres, permettant une distinction supplémentaire entre les deux minéraux.

En conclusion, l’emploi du microscope pétrographique en génie civil pour l’identification des sulfures dans les granulats est crucial.

Depuis plus de 20 ans, l’équipe de géologues expérimentés de Groupe ABS utilise cette technologie pour détecter les sulfures, permettant une distinction précise entre différents types comme la pyrite et la pyrrhotite, lesquels peuvent causer la dégradation du béton.

Cette identification précise est indispensable pour garantir l’utilisation sécuritaire des granulats dans la construction du béton, de manière qu’il soit conforme aux normes de qualité, et l’intégration du microscope pétrographique dans les pratiques d’analyse en génie civil est essentielle pour assurer la durabilité des infrastructures.

Article rédigé par Pablo Gabriel Rivera, géologue chez Groupe ABS.

 

[1] Il est à noter que cette réaction chimique peut impliquer différents processus et composants en fonction des conditions environnementales et des minéraux présents, et elle peut être plus complexe dans certains cas.

[2] Le système cubique a trois axes de longueurs égales, mais la pyrite ou un autre minéral cristallisant dans ce système ne va pas forcément se présenter sous forme de cubes, car il peut y avoir des variations sur les arêtes des cristaux, etc.

[3] Dans le système monoclinique, les trois axes sont de longueurs différentes et un de ces axes forme un angle ≠ 90°.