Figure 1.25 – Variation de la perméabilité relative au gaz (Azote) sous chargement en compression uniaxiale avec la contrainte relative maximale subie à trois températures (res-pectivement 20, 105, 150oC) pour un béton ordinaire (E/C)=0.6, tiré de Choinska [29].
intrinsèque n’évolue pas significativement jusqu’à 105oC, mais par contre elle augmente à 200oC : elle passe de 0.7 × 10−17m2 à 25oC, à 2.1 × 10−17m2 à 200oC.
A la suite de ces travaux, L. Montigny [101] a mesuré expérimentalement la perméabilité au gaz de bétons auto-plaçants (BAP) utilisant deux types de granulats (Garonne, i.e. roulés siliceux, ou Bathonien, i.e. concassés calcaires), en partenariat avec le CERIB. Les échantillons, tous préalablement séchés à 60oC jusqu’à stabilisation de leur masse, sont soumis simultanément à un chargement hydrostatique et à une montée en température jusqu’à 205oC. La perméabilité au gaz (Argon) a été mesurée dès qu’une température cible est atteinte, avant stabilisation. Bien que potentiellement non représentatif du comportement du béton, un échantillon de diamètre 37mm et 60mm de long de béton de type Garonne (No 37-1) a exhibé une chute forte de sa perméabilité dans les premières heures où il était à 205oC, voir Figs. 1.26. Par contre, cet effet n’a pas été observé sur les échantillons de diamètre 65mm et 50mm de long, ni sur le second béton testé, de type Bathonien. Par ailleurs, le béton BAP-Garonne est 6 à 7 fois plus perméable que le béton BAP-Bathonien après refroidissement.
1.3 Conclusion
Nous venons de présenter une analyse bibliographique relative à la microstructure poreuse des matériaux cimentaires, et l’évolution, sous l’effet de la température, de leurs propriétés mé-caniques, poro-élastiques et de transport convectif monophasique, à chaud ou après un cycle de chauffage/refroidissement complet (état résiduel).
Nous retiendrons que la température peut modifier significativement la microstructure du matériau cimentaire, avec en particulier, une fragilisation du squelette solide, et une micro-fissuration provoquées par (1) la dilatation thermique différentielle entre pâte et granulats, (2) la déshydratation chimique de la pâte de ciment et (3) l’augmentation de pression interne des pores, etc. Du fait de cette dégradation, non seulement la porosité du matériau évolue, mais également sa perméabilité, ses propriétés mécaniques et poro-élastiques. Cependant, très peu d’études ont
34 CHAPITRE 1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 50 100 150 200 250 Echantillon 37-1 K ( 1 0 -1 8 m 2 ) Température (°C) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 2 4 6 8 37-1 Température 205°C K (1 0 -1 8 m 2 ) Temps(h)
Figure 1.26 – Evolution de la perméabilité apparente à 205oC en fonction du temps pour l’échantillon 37-1, tiré de [101].
été réalisées sur l’évolution, après traitement thermique, des propriétés poro-élastiques ou mé-caniques sous chargement triaxial avec ou sans déviateur. Les effets simultanés des sollicitations mécaniques et de la température de traitement sur la perméabilité n’ont été caractérisés que très rarement. Par ailleurs, beaucoup de données expérimentales sont obtenues après refroidissement, à l’état résiduel, alors que le refroidissement a généralement modifié la microstructure par rap-port aux propriétés à chaud. La mesure de la perméabilité à chaud, sous chargement mécanique simultané, n’existe pas à notre connaissance.
Cette analyse justifie l’étude expérimentale, dont le but est de caractériser les effets de la température sur les propriétés d’un matériau cimentaire modèle, et dont les conditions sont exposées au Chapitre 2, et les résultats au Chapitre 3.
Nous avons à la fois investigué les propriétés hydrauliques, mécaniques et poro-élastiques d’un mortier normalisé (E/C=0,5) après traitement thermique jusqu’à 400oC. Par ailleurs, les effets simultanés des sollicitations mécaniques et de la température (jusqu’à 200oC) sur la perméabilité sont identifiés, et un effet bouchon a été identifié, pour le mortier normalisé et pour deux types de bétons différents.
Dans le Chapitre 4, nous développerons un modèle thermo-élasto-plastique avec endommage-ment isotrope afin de disposer d’un outil de prédiction de la dégradation mécanique du mortier après chauffage. Un modèle micromécanique, basé sur le schéma d’homogénéisation dilué, sera également utilisé pour analyser les résultats poro-élastiques obtenus expérimentalement.
Chapitre 2
Description des méthodes
expérimentales
Ce chapitre décrit les matériaux, les équipements utilisés et les procédures expérimentales suivies pour mesurer un certain nombre de propriétés pendant ou après traitement thermique, comme détaillé dans la Section 2.1.
2.1 Programme expérimental
Notre but principal est de caractériser les effets de la température sur le comportement méca-nique, hydraulique et poro-élastique de matériaux à matrice cimentaire, en lien avec l’évolution de leur réseau poreux connecté et en fonction de leur niveau de dégradation.
Deux grands types d’essais ont ainsi été menés : pour la plus grande partie, il s’est agi (1) d’essais après traitement thermique (à l’état dit résiduel), et (2) d’essais où le chargement ther-mique est simultané au chargement mécanique et aux mesures des propriétés de transport. A l’état résiduel, nous avons évalué la porosité avant tout chargement mécanique, et également les propriétés de transport convectif (perméabilité au gaz) sous chargement mécanique mul-tiaxial, la variation du volume poreux connecté sous chargement hydrostatique, et les propriétés poro-élastiques. L’ensemble a été complété par des essais de thermogravimétrie pour évaluer les proportions des différentes phases présentes dans la pâte cimentaire. Le Tableau 2.1 récapitule l’ensemble de la campagne expérimentale. Pour l’essentiel, le travail s’est axé sur un mortier nor-mal (E/C=0,5), mais nous avons également comparé son comportement à celui de deux bétons utilisés industriellement.
36 CHAPITRE 2. DESCRIPTION DES MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
Type d’essais Echantillons Mesures
Perte de masse φ= 37mm - de masse avant / après
L= 70mm cycle de chauffage
Porosité Rondelles - saturation à l’éthanol
et distribution φ = 37mm, L = 10 ∼ 20mm
de taille de pores Cube de 1 cm3 -intrusion de mercure (MIP)
Compression φ = 37mm -Déformations : εlongiet εtransv
uniaxiale L = 74mm Module d’Young E,
Coeff. de Poisson ν Résistance à la compression Rc
Compression φ = 37mm - Déformations : εlongi et εtransv
triaxiale L = 74mm Module d’Young E,
sans déviateur Coeff. de Poisson ν,
(Pc=5 ou 10MPa) Résistance à la compression Rc
Essai d’extension φ = 37mm - Déformations : εlongi et εtransv
latérale L = 74mm et contraintes nominales
ATG poudre (≈ 50mg) - perte de masse et flux thermique
en fonction de T
Poro-élastique φ = 37mm - Module d’incompressibilité
(drainé et drainé Kb
non drainé) L= 70 ou 74mm - Module d’incompressibilité
de la matrice solide Ks
- Coefficient de Biot b
Variation du volume φ = 65mm - volume des pores
de pores L= 60 ou 90mm accessibles sous confinement
Perméabilité φ = 37mm - perméabilité au gaz sous
hydrostatique L = 70 ou 74 mm différents confinements
(confinement Pc seul) (après traitement thermique)
- Déformations : εlongi et εtransv
et contraintes nominales
Perméabilité φ = 37mm - perméabilité au gaz avec déviateur
sous charge déviatorique L = 70ou74mm - Déformations : εlongi et εtransv
(et Pc=5 ou 10MPa) et contraintes nominales
jusqu’à rupture
Perméabilité mortier / béton CERIB - perméabilité en continu
sous température béton ANDRA 20oC → 60oC → 20oC → 105oC
(et confinement Pc = 5MPa) φ = 37 ou 65 mm avec L variés → 20oC → 200oC → 20oC Table 2.1 – Tableau récapitulatif de la campagne expérimentale.