II. DEMARCHE EXPERIMENTALE
II.6 Détermination des propriétés mécaniques
(13)
avec : facteur de correction selon la norme ASTM D-5084 (température)
Q débit traversant l’éprouvette (kg/s)
ρ masse volumique de l’eau (kg/m
3)
µ viscosité dynamique de l’eau (Pa.s)
L hauteur de l’échantillon (m)
A section de l’échantillon (m
2)
ΔP différence de pression entre les deux extrémités de l’échantillon (Pa)
Figure II-13 Dispositif expérimental pour la mesure de la conductivité hydraulique : a) contrôleurs GDS
et cellule triaxiale, b) représentation schématique de la cellule (Head, 1998).
II.6 Détermination des propriétés mécaniques
La résistance et le module d'élasticité font partie des principales propriétés utilisées lors des
dimensionnements d’ouvrages (Porbaha et al., 2000). Dans notre étude, les propriétés mécaniques
sont déterminées à l’aide d’une presse électromécanique INSTRON (30 KN) et d’une presse
hydraulique SCHENK (3000 KN). Les deux presses sont équipées d’un capteur de déplacement.
Figure II-14 Presses : a) SCHENCK et b) INSTRON.
b)
)
a)
)
b)
)
a)
)
80
II.6.1 La résistance en compression simple
Conformément à la norme NF P18-406, les éprouvettes testées en compression simple ont un
élancement de 2. Leur diamètre est de 50 mm pour une hauteur d'environ 100 mm après surfaçage.
Avant l’étape de chargement, les échantillons sont en effet surfacés à chaque extrémité, de manière
à assurer une répartition uniforme de la charge et limiter les moments parasites. Le faciès de rupture
dépend effectivement de l’homogénéité du matériau et de la qualité du surfaçage qui jouent un rôle
non négligeable sur les résultats comme le montre la Figure II-15. Par ailleurs, il existe d’après la
norme NF P 18-416, deux méthodes de surfaçage : le surfaçage au soufre et la rectification par
usinage. Dans ce travail de recherche, nous avons choisi de rectifier manuellement les éprouvettes à
l’aide d’un papier de verre. Cette méthode est bien adaptée à la petite taille des échantillons et à la
résistance relativement faible des bétons de sol. Après chaque étape de ponçage, l’éprouvette est
positionnée sur la presse, la base en contact avec le moule sur le plateau inférieur et le plateau
supérieur est amené presque au contact de l’éprouvette afin de s’assurer du parallélisme des deux
faces entre elles. Cette procédure est reconduite plusieurs fois jusqu’à obtenir une surface de
contact satisfaisante entre le plateau et l’échantillon.
Les échantillons sont testés directement à la sortie de leur milieu de conservation. Le chargement est
réalisé en contrainte contrôlée à une vitesse de 0,04 MPa/s. La charge est appliquée sans à-coups et
augmentée progressivement au rythme recommandée par la norme NF EN 1015-11. Cette vitesse de
chargement relativement faible a été choisie afin de laisser le temps aux fissures de se propager
pendant la durée de l'essai. Dans la littérature des vitesses de chargement de 2,5 KN/s ou
0,3 mm/min sont utilisées (Ganne et al., 2012), (Szymkiewicz, 2011). La résistance en
compression (MPa) est calculée à partir de l'équation suivante :
(14)
avec la résistance ultime en compression simple (MN), la section de l'échantillon (m²).
Figure II-15Pertes de résistances liées au surfaçage (Richardson 1991).
II.6.2 La résistance en flexion
Des essais de flexion trois points ont été effectués sur des éprouvettes prismatiques de 4×4×16 cm
3.
Lors de ces essais, le matériau est sollicité à la fois en compression et en traction. Les bétons de sol
étant plus résistants en compression qu’en traction, la rupture apparait en partie inférieure de
l'éprouvette (Figure III-16). La résistance en flexion est calculée à partir de l'équation suivante :
(15)
avec la résistance ultime en flexion (MPa), la longueur entre les 2 points d'appui (m) et le
coté de l'éprouvette prismatique (m). La résistance en flexion est généralement plus élevée que la
Paramètre Perte de résistance
Faces convexes, pas de surfaçage Jusqu'à 75 %
Matériau de surfaçage de résistance insuffisante 43 %
Faces concaves, pas de surfaçage 30 %
Mauvaise planéité des faces avant surfaçage 27 %
81
résistance en traction directe, qui est elle cependant plus élevée que la résistance obtenue par
fendage(Namikawa et al. 2007). D'après l'Eurocode 2, la résistance en flexion est égale à 0,6 fois la
résistance en traction directe.
Figure II-16 Essais de résistance en flexion 3 points.
II.6.3 Le module d'élasticité statique
Certains échantillons de béton de sol ont été instrumentés avec des jauges de déformation de façon
à déterminer les propriétés élastiques statiques du matériau (Figure II-17). La méthode consiste,
suite à l'étape de surfaçage, à appliquer une fine couche de résine de 3,5 cm de largeur en partie
centrale de l'éprouvette. Une fois durcie, la résine est poncée afin d'obtenir une surface bien lisse
pour coller les jauges, et des traits de construction sont tracés aux crayons sur l'éprouvette afin de
bien les positionner. À mi-hauteur des éprouvettes et diamétralement opposées, quatre jauges sont
collées, deux en position axiale et deux en position transversale. L'objectif est d'accéder à la fois au
module d'élasticité axial et à la pente de déformation latérale. Les jauges sont ensuite soudées aux
fils qui les relient au système d'acquisition des données (Figure II-17.c). Le fonctionnement des
jauges extensométriques est fondé sur la variation de résistance électrique de la jauge
proportionnellement à sa déformation :
(16)
avec le facteur de jauge, la variation de résistance (Ω), la résistance de la jauge (Ω), la
variation de longueur (m) et la longueur initiale (m). Le facteur de jauge « K » est une constante qui
dépend des matériaux considérés et de la température. Cette constante caractérise la sensibilité de
la jauge. Les caractéristiques des jauges utilisées sont données dans le Tableau II-7.
TYPE
KFG-20-120-C1-11GAGE FACTOR (24°C, 50% HR) 2.08 ±1.0 % LOT no. Y4450S BATCH 551A S05
GAGE LENGTH 20 mm TEMPERATURE COEFFICIENT OF GAGE FACTOR +0.008 %/°C
GAGE RESISTANCE 120.2 ± 0.2 Ω APPLICABLE GAGE CEMENT CC-33A, PC-600
ADOPTABLE THERMAL EXPANSION 11.7 PPM/°C QUANTITY 10
Tableau II-7Caractéristiques des jauges de déformation : KYOWA STRAIN GAGES fabriquées au Japon
(extrait de la notice d'utilisation).
Des chargements cycliques sont réalisés par paliers de 1 MPa avec des décharges jusqu’ à 1 MPa, le
1
ercycle étant réalisé à une contrainte de 1,5 MPa (Figure II-17.d). Cette procédure permet
82
statique tangent est déterminé en calculant, lors de chacun des cycles, la pente de la phase de
décharge de la courbe contrainte-déformation à partir d’une série de données plus au moins linéaire
comprise entre le pic et la moitié de chaque cycle. On évite ainsi les phénomènes visqueux présents
au cours de la phase de chargement. La valeur du module d'élasticité est déterminée par
interpolation, pour un niveau de contrainte équivalant à 30 % de la résistance à la rupture (0,3fc), sur
la Figure-II 17.e qui donne l'évolution de E en fonction du niveau de contrainte.
Figure II-17 Dispositif expérimental pour la mesure du module d'élasticité : a) échantillon instrumenté
avec des jauges de déformation, b) poste de travail, c) système d'acquisition des données, d) exemple
de courbes contrainte-déformation sous chargement cyclique et e) détermination de E à 0,3fc.
Le coefficient de Poisson caractérise lui la contraction de la matière dans la direction de la
sollicitation appliquée ( = Eaxial/Elatéral = εlatérale/εaxiale).
Il est également possible de déterminer le module d'élasticité à partir du déplacement des plateaux
de la presse. Cette méthode de mesure globale est moins précise que la méthode de mesure locale
décrite précédemment. Elle sous-estime généralement la valeur du module d'Young. En revanche, le
module tangent E50 qui est souvent utilisé dans les logiciels de calcul par éléments finis donne
généralement une valeur plutôt cohérente même si l'ordre de grandeur n'est pas le même. Ces
données ont donc également été enregistrées.
La méthode de détermination est illustrée sur la Figure II-18. Elle consiste à déterminer la valeur de
contrainte maximale (point P) puis à la diviser par 2 (point C). Ensuite, la tangente à la courbe issue
du point C est tracée et permet de déterminer la position du point B. Le module tangent est alors
déterminé en calculant la pente BC :
E50 = σc / (εc - εb) (17)
a)
)
b)
)
c)
)
d)
)
e)
)
83
Figure II-18 Détermination du module E
50(Swedish Ministry of Transport, 2002).
II.6.4 Le module d’élasticité dynamique
La mesure des vitesses d’ondes de compression (Vp) est effectuée à l’aide d’un appareil de test
ultrasonique (Pundit7). La mesure de Vp sur des échantillons de béton de sol en laboratoire consiste
à émettre un signal ultrasonore sous la forme d’une impulsion pour ensuite analyser sa propagation
dans l’échantillon. On mesure le temps de parcours de l’onde ultrasonore entre deux capteurs
piézoélectriques de fréquence 54 kHz, un émetteur et un récepteur, placés au contact de
l’échantillon en vis-à-vis (Figure II-19). La division entre la distance parcourue par l’onde P et le
temps de parcours permet de déterminer la vitesse de propagation.
Figure II-19 Dispositif expérimental pour la mesure du module d'élasticité dynamique : PUNDIT 7.
Les tests sont réalisés sur des éprouvettes cylindriques (Ø = 50 mm et h = 100 mm) à l’état humide
(tout juste sortie du sac de conservation) en fonction du temps de cure et avant chaque essai de
compression simple. De la vaseline est appliquée sur les capteurs piézoélectriques avant l'essai.
Son rôle d'agent de couplage améliore le contact avec l'échantillon et donc la transmission des
ondes. Ce type de mesures non destructives dans un matériau permet d’obtenir des informations sur
la porosité, l’état de fissuration et les propriétés élastiques. La valeur du module dynamique est
notamment déterminée à partir de l'équation suivante :