Endommagement et ssuration du béton

Pour répondre aux objectifs décris précédemment cette section détaille

briève-ment le comportebriève-ment mécanique du béton en traction. Une attention particulière

est apportée à la description de la zone de micro-ssuration associée à la propagation

de ssure. Enn le comportement du béton sous sollicitation thermique est abordé.

1.2.1 Comportement mécanique du béton

Le béton est un matériau composite isotrope possédant un comportement

mé-canique quasi-fragile. Ce comportement non-linéaire bien que diérent en fonction

du type de solicitation appliquée [6] provient de sa structure hétérogène complexe

(mélange de ciment, sable, graviers et eau). Cette hétérogénéité favorise le

déve-loppement en amont de la ssure la Fracture Process Zone ou FPZ . La

courbe contrainte/ouverture d'entaille (ou CMOD pour crack mouth opening

displacement ) de la gure 1.1 illustre ce comportement complexe sur une poutre

entaillée dans le cas d'une soolicitation de exion.

Le comportement quasi-fragile se décompose en 3 parties :

une partie linéaire (segment AB) dans laquelle le matériau est strictement

élastique, la réponse du matériau est directement proportionelle à l'eort

Figure 1.1 Courbe contrainte/ouverture d'entaille d'un matériau quasi-fragile

comme le béton et illustration de la zone située au sommet de la ssure pour

dié-rentes phases du chargement.

appliqué. Aucun endommagement mécanique n'est mesuré dans cette partie.

une partie non-linéaire (segment BC) qui correspond à l'apparition de

micro-ssurations. A ce stade, un ensemble de micro-ssurations est formé autour

de la future zone d'initiation de la ssure. La n de cette partie (point C)

correspond au pic de chargement appliqué au matériau. Ce point d'inexion

désigne l'instant d'initiation de la ssure.

la dernière partie (segment CD) est appelée zone d'adoucissement . Elle

est également non-linéaire et correspond à la propagation de la ssure ainsi

qu'à d'autres phénomènes décrits ci-après. Comme on peut le voir pour un

niveau de chargement correspondant au point C', le front de ssure est noyé

en amont et en aval de la FPZ.

1.2.2 Caractéristiques de la FPZ

Les diérent mécanismes conduisant au développement de la FPZ sont présentés

sur la gure 1.2. La diversité de ces mécanismes illustre la diculté à dénir ce

qu'est réellement une ssure et notamment sont extrémité supérieure qu'on

pour-rait appeler le front de ssure . En eet, la présence de ponts granulaires

ou de zones de frottements entre les lèvres de la ssure ne permet pas de dénir

clairement sa longueur. Par ailleurs, la ssure progresse par coalescence entre les

micro-ssurations ce qui ne permet pas de dénir ecacement une frontière entre

la ssure et la zone micro-ssurée.

Figure 1.2 Les diérents mécanismes à l'oeuvre dans la zone d'élaboration de la

rupture [7].

Le développement de la FPZ est central pour la compréhension du comportement

du béton à la rupture. Sa caractérisation constitue un enjeu majeur dans le domaine

de la mécanique de la rupture encore aujourd'hui [8, 9] puisqu'elle est responsable

notamment de l'eet d'échelle et de l'énergie de ssuration. L'emploi de diérentes

techniques expérimentales a permis au cours du temps de caractériser la FPZ. Une

instrumentation par bre optique a permis de conclure que la largeur de la FPZ était

de l'ordre de 3 fois la taille des plus gros granulats [10] conrmant ainsi les prédictions

de modèles théoriques [11]. Une analyse par corrélation d'images numériques (CIN)

a montré la relation entre la taille de la FPZ et la hauteur de l'éprouvette [12].

Des mesures par rayons X eectuées à diérentes étapes de la ssuration et sur des

bétons dont la taille maximale des granulats est diérente ont été menées [13]. Les

résultats obtenus montrent que la FPZ est d'autant plus large que la taille maximale

des granulats augmente (gure 1.3).

Figure 1.3 Comparaison des zones de micro-ssurations à partir d'images

ob-tenues par rayons-X dans des bétons avec une taille maximale des granulats

dié-rente [13].

Ces techniques bien qu'ecaces pour mettre en évidence et caractériser la FPZ

ne sont pas systématiquement applicables en réalité car elles ne permettent pas de

s'aranchir des contraintes d'une auscultation sur site. En eet les mesures par bre

optique ou par rayons X impliquent d'instrumenter le coeur du béton ce qui n'est

pas possible sur les structures déjà existantes. D'autre part une méthode comme

la CIN nécessite des conditions expérimentales particulières et non adaptées à de

grandes surfaces d'investigation.

Depuis quelques années, l'émission acoustique a été mise en oeuvre pour la

carac-térisation de l'endommagement du béton. On présentera par la suite son principe,

ses avantages et inconvénients.

1.2.3 Comportement du béton sous sollicitation thermique

La sollicitation thermique du béton modie sa micro structure. En dessous de

100 C, la première transformation concerne l'évaporation de l'eau libre. Les

mou-vements de l'eau dans le béton (libre ou liée) provoquent plusieurs phénomènes de

retrait de dessiccation, de gonement et de ssuration qui conduisent à la dilatation

diérentielle entre la pâte de ciment et les granulats. Cette zone tend à se dégrader

et à se ssurer. La teneur en eau est importante dans les phénomènes de

transforma-tion des hydrates et de transferts hydriques [14]. Deux des conséquences importantes

de ces changements sont l'augmentation de la porosité et la baisse de la résistance

mécanique et du module d'élasticité. Pour exemple, la porosité peut augmenter de

20% à 200 C [15, 16]. L'augmentation de la température provoque une dilatation

du béton (jusqu'à 2 % pour 200 C) [17]. La diérence des coecients de

dilata-tion entre le mortier et les granulats conduit à l'apparidilata-tion de micro-ssuradilata-tions

(gure 1.4). Le module d'élasticité en compression chute de 10% ou 30% selon les

auteurs en fonction de la température [18].