Comportement en compression triaxiale

L’étude du phénomène de compaction montre l’influence importante des contraintes de cisaillement sur le comportement du béton. Il est donc intéressant de s’intéresser de plus près au comportement déviatorique du béton et particulièrement à l’évolution du comportement déviatorique en fonction du confinement appliqué. L’essai triaxial ou essai de compression axiale confinée, présenté figure 1-22, permet d’appliquer un déviateur à un échantillon préalablement confiné. Dans la plupart des cas, l’échantillon est cylindrique pour des raisons techniques. La pression de confinement est appliquée via un fluide autour de l’échantillon. Puis lorsque la pression de confinement souhaitée est atteinte, un vérin permet d’appliquer le déviateur à pression constante. L’essai triaxial initialement pratiqué sur des roches et des sols a été adapté au bétons et mortiers par différents auteurs (VAN MIER, 1984), (PIJAUDIER-CABOT, 1985).

Figure 1-22. Principe de l’essai triaxial et trajet de chargement

La figure 1-23 montre l’évolution de la contrainte axiale en fonction de la déformation axiale, lors d’essais triaxiaux réalisés à différentes pressions de confinement (JAMET et al., 1984).

Figure 1-23. Comportement triaxial d’un béton à différentes pressions de confinement : évolutions de la contrainte axiale en fonction de la déformation axiale (JAMET et al., 1984)

Les courbes obtenues montrent que le confinement initial joue un rôle important sur le comportement du béton. Plus le confinement augmente, plus la contrainte maximale atteinte augmente également (de 30 à 140 MPa lorsque l’on passe d’un confinement de 0 à 50 MPa). L’augmentation du confinement a également pour effet de modifier la réponse du béton en passant d’un comportement quasi fragile en compression simple (confinement nul) à un comportement de plus en plus ductile. La phase adoucissante observée en compression simple est remplacée par une phase de plastification avec écrouissage.

Le tableau 1-3 montre la composition et quelques caractéristiques de 4 bétons utilisés dans la littérature pour d’autres campagnes d’essais : (WARREN et al., 2004), (SCHMIDT, 2003), (SFER, et al., 2002), (GABET et VU, 2006).

Tableau 1-3. Compositions et caractéristiques de différents bétons présentés (POINARD, 2010)

Les figures 1-24 et 1-25 montrent l’évolution de la contrainte axiale ou du déviateur en fonction des déformations axiale et radiale pour les campagnes d’essais triaxiaux de Warren et Schmidt.

Figure 1-24. Résultats des essais triaxiaux sur le béton B23 (WARREN et al., 2004) : évolutions de la contrainte axiale en fonction des déformations axiale et radiale

Figure 1-25. Résultats des essais triaxiaux à différents confinements sur le béton WES500 (SCHMIDT

et al., 2003). (a) (b) (c) (d) (e) : évolutions du déviateur des contraintes en fonction des déformations axiale, radiale et volumique, pour différents confinements. (f) : courbe d’états limites des différents

essais

Les courbes obtenues par ces auteurs montrent des résultats sensiblement similaires à ceux obtenus par Jamet, mais à des confinements plus élevés (de 50 à 400 MPa). L’augmentation du confinement augmente la contrainte maximale atteinte et le comportement du béton tend vers un comportement plus ductile.

Les résultats de Schmidt font de plus apparaître l’évolution du module d’Young en fonction du confinement à l’aide de cycles de charges/décharges. Il apparaît d’une part qu’il y a un raidissement initial du matériau lorsque le confinement augmente et d’autre part, que le module d’Young diminue légèrement avec l’augmentation de la compression axiale.

Il est difficile de trouver dans la littérature d'autres résultats mettant en évidence l’évolution des caractéristiques élastiques du béton sous confinement. Une campagne d’essais triaxiaux avec cycles de charge/recharge a été réalisée par Poinard (POINARD 2010), avec des confinements allant de 0 à 650 MPa, sur des échantillons de béton R30A7. Le module d’Young est calculé à chaque cycle de décharge/recharge. La figure 1-26 montre l’évolution

du module d’Young mesuré pour ces essais triaxiaux, en fonction de la déformation axiale pour différents confinements.

Figure 1-26. Evolution du module d’Young avec la déformation axiale en phase déviatoire des essais triaxiaux à différents confinements sur le béton R30A7 (POINARD, 2010)

Les résultats montrent qu’au début du chargement axial, on constate une légère augmentation du module d’Young, ce qui peut s’expliquer par la fermeture de la porosité qui densifie le matériau en phase hydrostatique. Le module va ensuite diminuer progressivement au fur et à mesure de la compression axiale, cette diminution étant d’autant moins marquée que le confinement augmente.

Le raidissement observé au début de la compression est un phénomène bien connu en compression simple (NEVILLE, 2000) mais l’explication de ce phénomène en compression confinée reste floue. La diminution du module qui suit le raidissement s’explique par l’inhibition de l’endommagement par la pression de confinement. En compression simple, les fissures peuvent s’ouvrir sans retenue. Mais avec l’augmentation du confinement, la fissuration est de plus en plus inhibée par la pression de confinement, ce qui se traduit par une diminution de plus en plus faible du module.

Ces résultats sont cohérents avec les conclusions des travaux de Schmidt.

Les figures 1-27 et 1-28 montrent le comportement axial et volumique, ainsi que les faciès de rupture des campagnes d’essais triaxiaux réalisés respectivement par Sfer et Gabet. Les essais de Sfer sont des essais à faible confinement (0 à 60 MPa) tandis que ceux de Gabet vont de 0 à 650 MPa.

Figure 1-27. Résultats des essais triaxiaux à confinements de 0 à 60 MPa sur le béton de Sfer (SFER et

Figure 1-28. Résultats des essais triaxiaux pour des confinements allant de 0 à 650 MPa sur le béton R30A7 (GABET, 2006) : comportement axial et volumique, faciès de rupture des échantillons testés

Les courbes volumiques montrent pour chaque essai, un point de transition entre un comportement compactant et dilatant. Pour le béton sec, les travaux de Gabet et Vu associent cette dilatance sous forts confinements au réarrangement des grains du squelette granulaire. La perte de cohésion de la matrice cimentaire observée dans la phase de compaction va permettre des mouvements des grains du squelette granulaire avec l’augmentation de la contrainte déviatorique. Ce réarrangement granulaire se poursuit jusqu’à atteindre la compacité maximale du matériau qui va alors commencer à se dilater. Pour les essais de Sfer et Gabet, ce point de transition apparaît légèrement avant l’état limite en contrainte (pic ou palier de contrainte).

Le confinement joue également un rôle sur la réponse du béton, comme cela a été déjà mis en évidence sur les essais de Jamet, Warren et Schmidt. Plus le confinement est important, plus les niveaux de contraintes atteints sont élevés. Toutefois, le confinement va également jouer un rôle sur les faciès de rupture observés dans les campagnes d’essais triaxiaux de Sfer et Gabet.

A faible confinement, Van Mier explique la rupture du béton par l’apparition de bandes de cisaillement (VAN MIER, 1986). Les travaux de Rutland (RUTLAND et al., 1997) ont mis

en évidence que l’augmentation du confinement tend à faire baisser le nombre de macro-fissures, et que l’inclinaison de ces fissures tend à augmenter également jusqu’à 35° par rapport à l’axe de chargement. Ces observations sont similaires aux faciès de ruptures observés par Sfer (figure 1-27). La rupture n’est donc plus provoquée par l’ouverture de nombreuses fissures verticales, mais plutôt par une localisation plus marquée avec quelques fissures plus ou moins inclinées. Les travaux de Gabet (figure 1-28) montrent des résultats similaires à 50 MPa mais également un nouveau mode de rupture lorsque le confinement augmente. Il s’agit de macro-fissures perpendiculaires à l’axe de chargement qui coupent l’échantillon en plusieurs parties. L’auteur associe ce mode de rupture à une ruine totale de la cohésion de la matrice cimentaire doublée d’un déchaussement des granulats.