Confrontation des déformations des bétons chauffés puis chargés et chargés puis chauffés

La Figure III-36 présente la comparaison des déformations entre les échantillons chargés puis chauffés et chauffés puis chargés suivant le cycle thermique à 40°C en condition endogène et chargés durant toute la durée des essais.

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 T ot al def ormation (µm.m -1)

Time after water curing (Days) M T 40
C 20
C 40
C Load=30%xfcm Contraction Swelling Heated then loaded Loaded then heated TTD*

*Thermal transient deformation

Unloaded

0.1
C/min 0.1
C/min

HLS.40.2

LHS.40.3

Figure III-36 : Différence de déformation entre les échantillons chauffés puis chargés et chargés puis chauffés et continuellement chargés.

Les éprouvettes chargées puis chauffées développent une déformation plus importante dès que le chauffage est appliqué. La différence de déformation avec les éprouvettes chauffées avant d’être chargées apparaît donc dès la phase de stabilisation en température pour rester

constante jusqu’à la fin des essais. La différence entre les deux est qualifiable de déformation thermique transitoire.

Pour expliquer ce phénomène, nous proposons l’explication suivante : lorsque le béton est chargé puis chauffé, l’application de la charge modifie la micro-diffusion de l’eau. En effet, lors du chauffage, comme nous l’avons vu dans le chapitre I, l’eau se dilate beaucoup plus que la matrice. Cette dilatation est empêchée dans la direction verticale par la charge uniaxiale appliquée sur les éprouvettes suivant cette même direction, ce qui contribue à augmenter davantage la pression de l’eau que si l’éprouvette n’était pas chargée. Pour que la surpression due à cette déformation partiellement empêchée se dissipe, l’eau doit microdiffuser de manière latérale. Cette importante microdiffusion est différente de celle ayant lieu en absence de charge, puisque dans ce cas la microdiffusion est isotrope. La microdiffusion anisotrope pourrait alors conduire à un réarrangement de certains hydrates (les feuillets de C-S-H en particulier) entraînant à l’échelle macroscopique un surplus de contraction observée pendant la période de chauffe des matériaux. Il faut également rappeler que, comme nous l’avons exposé dans l’état de l’art de chapitre I, l’eau sous pression a une viscosité inférieure à l’eau libre. Il est donc possible que la viscosité du matériau soit momentanément réduite du fait des surpressions induites par la micro-diffusion empêchée, ce qui se traduirait au niveau macroscopique par une diminution également momentanée de la viscosité apparente du béton. La Figure III-37 présente les déformations des échantillons chargés puis chauffés et chauffés puis chargés à 40°C. Si l’ordre chargement/chauffage diffère, en revanche le même cycle thermo-mécanique est appliqué aux éprouvettes. La déformation thermique transitoire apparaît dès la phase de chauffage des échantillons préalablement chargés. La différence de déformation, appelée déformation thermique transitoire qui existe après 2 jours de chargement reste quasiment constante tout au long de l’essai. C’est-à-dire que lors du deuxième chargement cette composante n’augmente pas. L’unicité du phénomène est donc confirmée par ce résultat.

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 T ot al def ormation (µm.m -1)

Time after water curing (Days) M T 40
C 20
C 40
C Load=30%xfcm Contraction Swelling Unloaded 0.1
C/min 0.1
C/min Heated then loaded Loaded then heated TTD*

*Thermal transient deformation Unloaded Load=30%xfcm Heated then loaded Loaded then heated TTD* HLS.40.1 LHS.40.2

Figure III-37 : Unicité de la déformation thermique transitoire après 2 cycles thermo-mécaniques

Les échantillons étudiés dans la Figure III-37 sont refroidis après la première montée en température. Ils sont toujours chargés puis chauffés avec la même cinétique de montée en température. La déformation thermique transitoire n’apparait pas lors de la seconde montée en température, elle n’apparaît donc que lors de la première montée en température. Ceci est cohérent avec l’explication impliquant les phénomènes de microdiffusion de l’eau. En effet, ils sont fortement limités pendant le second chauffage puisqu’ils ont déjà eu lieu lors du premier chauffage. Un pré-chargement de plusieurs jours à n’importe quelle température, tout comme un chauffage préalable permettent également d’évacuer les surpressions, et donc d’éviter cette composante de déformation thermique transitoire. Là aussi, l’explication de microdiffusion est cohérente avec l’ensemble des résultats expérimentaux.

La Figure III-38 résume la réflexion sur les mécanismes à l’origine de la déformation thermique transitoire.

C-S-H sheets Water molecules Water diffusion activated by loading Loading Loading Water dilation restrained by loading Heating Loading Loading

Important lateral water diffusion due to loading and decreasing viscosity

Loading

Loading

Lateral water diffusion leading to C-S-H sheets sliding and rearrangement

Loading

Loading e1

e₁ e₂ TTD

Decreasing water viscosity due to pressure and temperature

Heating Loading Loading (1) (2) (3) (4) (5) (6)

Figure III-38 : Proposition d’un mécanisme pour expliquer la déformation thermique transitoire

Finalement, on peut conclure de cette analyse que pour que la déformation thermique transitoire ait lieu, il faut que le chauffage des éprouvettes se fasse juste après la mise en charge, c’est-à-dire avant que les surpressions induites par la mécanique n’aient le temps de se dissiper, de façon à bénéficier d’une concomitance des surpressions d’origine mécanique et de dilatation thermique de l’eau. C’est pourquoi la déformation thermique transitoire n’apparaît pas s’il y a un pré-chargement suffisamment long et/ou s’il y a un traitement thermique avant chargement. Son existence ne peut toutefois pas se résumer à ces conditions. Il faut également que le matériau ne soit pas encore « consolidé », c’est-à-dire qu’il soit encore en mesure de se déformer de façon significative sous l’effet de la dissipation des surpressions, et cela dépend de l’état de déformation de la matrice. Nous prendrons en compte l’ensemble de ces hypothèses lors de la mise au point du modèle de fluage thermique transitoire.

Ce serait donc l’eau présente dans les nanopores des C-S-H qui seraient à l’origine de cette déformation thermique transitoire. Elle ne pourrait avoir lieu que si la migration d’eau et la consolidation n’a pas déjà eu lieu.

Concernant les phénomènes microscopiques de consolidation, ils sont en lien avec la constitution des particules de C-S-H, qui peut varier au cours du temps avec l’application d’une charge extérieure. Généralement sur des bétons sans additions pouzzolaniques, les C-S- H sont de faible densité et leur densité augmente avec la durée de fluage [Constantinides et al.

2007, Vandamme et al. 2009, Vandamme et al. 2010, Caratini 2012, Vandamme et al. 2013,

Zhang et al. 2014]. Il en est de même pour les C-S-H des BHP dont la densité augmente au

cours du temps ainsi que leur module d’élasticité. Il semblerait que le passage des C-S-H de faible densité (C-S-H LD) à des C-S-H de plus forte densité (C-S-H HD) soit favorisé par la mise en charge puis le chauffage des éprouvettes de bétons. Ce réarrangement serait en grande partie irréversible, ce qui expliquerait le caractère également irréversible de la consolidation. Cet aspect est déjà pris en compte dans le modèle LMDC.