Les essais à l’anneau

Figure II-4 : Schéma d’un dispositif de retrait empêché de type plaques [Banthia et al. 96]

C. Les essais à l’anneau

1. Essais à l’anneau passif

L’essai de retrait empêché le plus utilisé dans la littérature reste l’essai à l’anneau. A l’origine, cet essai a été conçu pour observer la fissuration d’un spécimen de béton coulé autour d’un cœur rigide (en général en acier) [Carlson et Reading, 88]. A ce stade, seul l’âge de fissuration était mesurable, mais aucune information sur les contraintes générées ne pouvait être obtenue. Paillière et Serrano [Paillière et Serrano, 76], et Swamy et Starvides [Swamy et Starvides, 79] ont optimisé les dimensions du dispositif en réduisant le noyau central à un anneau permettant ainsi de contrôler le degré de restriction et laisser apparaître une part de déformation mesurable. Finalement, Shah et Grzybowski [Shah et Grzybowski, 89] ont placé des jauges de déformation sur le rayon interne de l’anneau métallique afin de déduire les contraintes subies par l’anneau en béton. Cette configuration finale présente l’avantage de ne pas avoir besoin de recourir à un système de chargement complexe puisque les contraintes sont auto-générées par le retrait du béton et le fait que l’éprouvette de béton soit de forme axisymétrique. En effet, lorsque l’éprouvette de béton se contracte (par retrait thermique, endogène ou de dessiccation), l’anneau métallique s’oppose à cette contraction générant principalement une contrainte orthoradiale de traction dans le béton (ainsi qu’une contrainte verticale non uniforme). Néanmoins, un gradient de contrainte radial peut apparaitre lorsque l’épaisseur de l’éprouvette est importante car, dans ce cas, l’anneau de béton ne peut plus être considéré comme une éprouvette infinie soumise à une contrainte uniaxiale de traction. A l’aide d’une approche de type mécanique de la rupture, Weiss et Shah [Weiss et Shah, 02] ont mis en évidence l’influence de la géométrie de l’anneau et notamment l’épaisseur de l’anneau sur la fissuration. Messan [Messan, 06] a cherché à définir des critères d’uniformité (A1) et d’uniaxialité (A2) qui sont des critères purement géométriques :

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 la contrainte orthoradiale et rr est la contrainte radiale. Ces formules ne sont cependant valables que pour des essais isothermes.

Les contraintes orthoradiales dans le béton peuvent être calculées à l’aide des formules de Hossein et Weiss [Hossein et Weiss, 04] à partir de la déformation mesurée sur le laiton:

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où Actual-max est la contrainte maximale, brass est la déformation de l’anneau métallique enregistrée sur le rayon interne, Eb est le module d’Young du métal utilisé, ROB est le rayon externe de l’anneau métallique, ROC est le rayon externe de l’anneau en béton et RIB est le rayon interne de l’anneau métallique. Néanmoins, dans ces formules, l’évolution thermique ainsi que le fluage du béton ne sont pas pris en compte. Recemment, Turcry et al [Turcry et al., 06] ont utilisé la mécanique de la rupture pour proposé une analyse des essais à l’anneau qui tient compte des déformations de fluage.

2. Essais à l’anneau actif

Récemment, des essais à l’anneau dit actifs ont été développés. Le principe de ces dispositifs est de venir ajouter aux contraintes de traction créées par le retrait empêché des contraintes de traction supplémentaires générées par l’expansion de l’anneau (permettant de contrôler le degré de restriction). Plusieurs solutions techniques sont alors envisageables pour créer cette expansion.

[Haouas, 07] propose de venir appliquer une pression interne gardant ainsi la géométrie en anneau afin de pouvoir mesurer directement les déformations de l’anneau alors que Gagné et al. [Gagné et al. 06] et Messan [Messan, 06] respectivement des laboratoires de Génie Civil de Toulouse et de l’Ecole des Mines d’Alès, utilisent un noyau rigide expansif. L’expansion est obtenue soit par l’utilisation de pétales métalliques (cf. Figure II-5) soit par compression vertical d’un noyau en polymère (créant ainsi une dilatation radiale). L’utilisation de matériau non métallique tel que le plexiglas à également permis à Kovler et al. [Kovler et al., 93] l’ajout de contraintes de traction puisque le coefficient de dilatation du plexiglas est environ 10 fois supérieur à celui du béton.

Cependant, ces essais ont été développés pour des mortiers et le passage à l’échelle du béton reste délicat et de surcroît, dans ces essais, le retrait thermique n’intervient pas aux vues des faibles dimensions des anneaux testés.

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Figure II-5 : Dispositif actif développé à l’université de Toulouse [Gagné et al., 06]

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II. Essai à l’anneau de retrait gêné passif

Pour étudier le comportement de notre béton soumis à un retrait endogène gêné, un essai à l’anneau passif a été réalisé. La géométrie de l’essai est présentée sur la Figure II-6. Pour cet essai, l’anneau a été coulé dans une enceinte climatique assurant une température stable (20°C ±1°C) et le béton a été protégé de la dessiccation (avant décoffrage par un film polyane sur la face supérieure et après décoffrage par de l’aluminium autocollant sur toute les faces). Les déformations de l’anneau sont mesurées par des jauges situées sur le rayon interne du laiton. Dans notre laboratoire, le laiton est préféré à l’acier pour limiter les réactions chimiques entre le béton et le métal.

La Figure II-7 montre l’évolution des températures mesurées lors de l’essai (une sonde sur le rayon interne du laiton et une sonde au milieu de la section de béton). Au début, une diminution de la température est observée car les matériaux composant le béton étaient plus chauds que la température de l’enceinte climatique. Ensuite, on observe une augmentation de la température due à l’exothermie de la réaction d’hydratation d’environ 2,5°C suivie d’une phase de refroidissement.

Pour une composition de béton très similaire, Ithurralde [Ithurralde, 89] a mesuré une variation de 40°C sur un voile massif d’1,2 m d’épaisseur.

L’évolution des déformations orthoradiales est reportée sur la Figure II-8. Au début, l’évolution des déformations est due aux déformations thermiques. Il s’en suit une évolution plus lente des déformations due au retrait endogène gêné. Sur cette figure, on retrouve également l’évolution des contraintes orthoradiales dans le béton et le laiton calculées à partir des formules analytiques proposées par Hossein et Weiss. Il est à noter que ces contraintes sont surestimées puisque le fluage (qui dans ce cas va relaxer les contraintes) n’est pas pris en compte. Toutefois, en comparant les contraintes dans le béton à la résistance en traction du béton (mesurée par des essais de fendage), on remarque que la fissuration est improbable.

Figure II-6 : Géométrie de l’essai à l’anneau passif 7cm 48cm

7cm

Laiton : ép. 2cm



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22cm 31cm

Béton Laiton

Béton protégé de la dessiccation

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19,0

Figure II-7 : Evolution des températures lors de l’essai à l’anneau passif

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Figure II-8 : Evolution des déformations et des contraintes lors de l’essai à l’anneau passif La conclusion de ce premier essai à l’anneau est qu’aucune fissuration macroscopique n’est observée expérimentalement. Ceci s’explique par le fait que le retrait endogène de notre béton est faible (cf.

Chapitre 1) et que les dimensions de l’anneau ne sont pas suffisantes pour que l’évolution thermique soit représentative d’une structure massive réelle. Ceci démontre la nécessité de développer un essai adapté à la prise en compte de ce phénomène.

III. Essai de retrait gêné thermique actif