Comme nous l’avons vu dans la partie bibliographique de ce premier chapitre, l’évolution du degré d’hydratation peut être obtenue par des essais calorimétriques, par des essais visant à déterminer la quantité d’eau chimiquement liée ou à partir de la résistance en compression. Les résultats de
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l’évolution de la résistance en compression seront présentés et analysés dans la partie concernant le comportement mécanique. Nous allons dans un premier temps nous intéresser aux essais de type calorimétrie semi-adiabatique.
En effet, les essais adiabatiques sont difficiles à mettre en œuvre puisque les pertes de chaleur de l’échantillon vers l’environnement extérieur doivent être éliminées par le maintien de l’environnement de l’échantillon à la même température que l’échantillon lui-même. Cela nécessite donc une source de chaleur asservie. Nous pouvons par exemple citer les travaux suivants : [Suzuki et al., 89], [Coole, 88], [Bamforth, 77], et [Costa, 79] (une revue plus exhaustive des différents calorimètres adiabatiques est disponible dans [Springenschmid, 98]).
1. Essai QAB
L’essai QAB (acronyme de quasi-adiabatique) a été développé au LCPC [Acker, 86]. Il consiste à couler une éprouvette 16x32cm dans un moule en carton puis à introduire l’éprouvette dans une boite isolée. On mesure alors la température au cœur de l’éprouvette de béton ainsi que celle de l’environnement extérieur (régulée à 20°C±1°C) à l’aide d’un thermocouple relié à un système d’acquisition.
Les données brutes de l’essai se composent donc de deux courbes de température. Bien que les résultats semblent simples, l’analyse des résultats n’est pas évidente. En effet, la détermination du degré d’hydratation se fait à partir de la quantité de chaleur dégagée (proportionnelle à la température adiabatique du béton). Or celle-ci peut être calculée de différentes façons. En effet, le champ de température est quasiment uniforme dans le béton alors qu’il est fortement hétérogène dans l’isolant. Le calcul analytique de la quantité de chaleur accumulée n’est donc pas possible, or ce terme est nécessaire pour le calcul exact de la correction). Nous avons choisi d’utiliser la relation suivante car c’est celle qui nous parait la plus représentative de ce qu’il se passe dans l’essai :
t Cbéton
Tadiab
t Tbeton
Ctot
Tbeton
t Tbeton
t
ab
t
t dtq
0
0
0 [I-30]
où Cbeton est la capacité calorifique du béton seul [J/°C], Ctot la est capacité calorifique totale (béton +
calorimètre), a [J/h] & b [J/h/°C] sont les coefficients de déperdition du calorimètre, t [heure] est le temps lors de l’essai QAB, Text [°C] est la température extérieure, Tbeton [°C] est la température du béton mesurée, q [J] est le dégagement de chaleur, [°C] = Tbeton - Text est l’échauffement.
Les évolutions de l’affinité chimique et du degré d’hydratation sont obtenues pour notre composition de béton sont présentés sur la Figure I-7. L’énergie d’activation utilisée est égale à 45 730 KJ.mol-1 (basée sur un rapport du CTG pour ce ciment). L’utilisation des énergies d’activation proposées par Kishi donne une énergie d’activation de 42 380 KJ.mol-1. L’évolution ainsi obtenu peut paraître élévé au jeune âge compte tenu du fait que le ciment utilisé est un CEM II. Toutefois la fiche technique du ciment (cf. annexe D) indique que le ciment est constitué de 92% de clinker ce qui peut expliquer la rapidité de l’hydratation au très jeune âge.
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0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0 100 200 300
Degré d'hydratation
Temps (h)
(a) (b)
Figure I-7 : Evolution du degré d’hydratation à 20°C obtenue à partir d’un essai QAB (a) ; photo du calorimètre QAB (LCPC)(b)
L’affinité chimique est approchée avec une loi polynomiale du sixième degré afin de pouvoir être introduite dans un code de calcul par éléments finis. D’autres types de relations (toutes aussi empiriques) sont utilisables [Cervera et al., 99] [Lackner et Mang, 04] mais donnent, dans notre cas, de moins bons résultats.
2. Essai Langavant
L’énergie d’activation étant un paramètre important, nous avons voulu déterminer sa valeur à partir de mesures. Pour cela, nous avons réalisé des essais de calorimétrie quasi-adiabatique en utilisant une bouteille de Langavant avec deux quantités de mortier de béton équivalent (composition en annexe A) différentes (0,54l et 0,28l). L’utilisation d’un mortier de béton équivalent (MBE) se justifie ici car la taille des plus gros granulats (20mm) du béton ne permettrait pas d’avoir un volume élémentaire représentatif à l’intérieur de la bouteille de Langavant (dimension de l’échantillon dans un essai Langavant : diamètre 7cm, hauteur 15cm). C’est une des causes principales qui ont poussé le LCPC à développer l’essai QAB. Néanmoins, Schwartzentruber et Catherine [Schwartzentruber et Catherine, 00] ont montré que bien qu’initialement formulé à des fins rhéologiques, la représentativité du MBE par rapport au béton de référence était également bonne pour la détermination de l’énergie d’activation.
Le principe du mortier de béton équivalent est basé sur le fait qu’il existe une corrélation simple reliant les propriétés rhéologiques d’un béton et du mortier qui le compose. D’après les résultats et recommandations du projet national Calibé [Calibé, 03], l’utilisation du MBE est également valable pour la calorimétrie.
Il existe deux méthodes pour obtenir le mortier de béton équivalent. La première consiste à tamiser le béton frais au tamis de 5mm. La deuxième prévoit la correction de la composition du mortier composant le béton de manière à ce que la surface granulaire du MBE soit la même que celle du béton. Ainsi, on remplace les gros granulats du béton par une quantité de sable ayant la même surface spécifique. Les surfaces spécifiques du sable et des granulats sont obtenues à partir des courbes granulaires en calculant la surface spécifique d’une particule moyenne de chaque classe granulaire (en considérant que les particules sont des sphères parfaites). Il est à noter que la composition du MBE conserve le même rapport E/C mais ne représente plus 1m3 de matériau.
D’autre part, pour que le MBE soit correctement représentatif, l’utilisation d’un sable et de granulat de même nature est nécessaire.
Deux essais avec deux quantités de MBE différentes afin d’obtenir deux histoires de température différentes ont été réalisés. Pour ces essais, une enceinte climatique régulée à 20°C a été utilisée. Les
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résultats sont présentés sur la Figure I-8 (les pics de températures correspondent à l’ouverture brève de l’enceinte. Une autre solution consiste à garder la même quantité de mortier mais d’imposer deux températures initiales et extérieures différentes [D’Aloïa et Chanvillard, 02]
15 20 25 30 35 40 45 50
0 20 40 60 80 100
temps (h)
température (°C)
Température dans l'enceinte Langavant 1 (20°C)
Langavant 2 (20°C)
Figure I-8 : Evolution des températures mesurées au cours des essais de type Langavant (Masse Langavant 1 = 1150g; Masse de MBE Langavant 2 = 600g)
A partir de ces courbes d’évolution des températures, on peut définir la quantité de chaleur dégagée par chacune des deux éprouvettes. En rapportant cette quantité à un gramme de ciment, les quantités de chaleur doivent se superposer (en temps équivalent). La méthode de superposition consisterait à trouver la valeur optimale de l’énergie d’activation pour obtenir l’écart le plus faible.
Dans notre cas, on remarque qu’avec une valeur de Ea/R égale à 5500 K, on obtient une bonne concordance bien qu’en fait, dans la première partie, il faudrait une énergie d’activation plus importante et, dans la seconde partie, une énergie d’activation plus faible. Bien que l’utilisation de deux énergies d’activation différentes (Ea/R1 = 9944 K ; Ea/R2=4800 K) ou d’une énergie d’activation évolutive en fonction de la température puisse être envisagé, nous prendrons une énergie d’activation unique (Ea/R = 5500 K). Nous verrons par la suite, que la connaissance précise de l’énergie d’activation n’est en fait pas requise dans notre étude.
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100 150 200
teq (h)
Quantité de chaleur (J/g)
Langavant 1 Langavant 2
Figure I-9 : Evolution des dégagements de chaleur (J/g de ciment) des essais Langavant
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Pour valider l’utilisation du MBE en calorimétrie, nous avons voulu comparer les résultats concernant l’affinité chimique obtenue par l’essai QAB et par un des deux essais Langavant. En termes de cinétique, les résultats sont très concordants avec cependant une amplitude légèrement plus faible pour l’essai Langavant.
0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00 1400,00
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Degré d'hydratation (-) Affinité chimique (1/s) Affinité QAB
Affinité Langavant Polynomial (Affinité QAB) Polynomial (Affinité Langavant)
Figure I-10 : Comparaison des affinités chimiques obtenues par l’essai QAB et par l’essai Langavant
3. Mesure du degré d’hydratation par perte au feu
Les essais par perte au feu réalisés se basent sur les modes opératoires recommandés dans le projet GranDuBé [GranDubé, 07]. L’essai consiste à mesurer la quantité d’eau liée aux hydrates contenue dans un béton (par perte au feu à 550°C dans notre cas). A l’origine, ce mode opératoire est préconisé pour estimer le degré d’hydratation de béton ayant au moins 28 jours (afin que le degré d’hydratation soit proche du degré d’hydratation final). Dans notre cas, nous cherchons à en déterminer l’évolution. C’est pourquoi nous avons choisi à différentes échéances de maturité (1 jour, 2 jours, 3 jours et 7 jours ; conservation à 20°C) d’arrêter l’hydratation par cryo-sublimation. Il est à noter que ces essais ont été menés sur des échantillons de MBE.
La cryo-sublimation consiste tout d’abord à refroidir très rapidement (dans l’azote liquide) les échantillons afin de faire geler l’eau libre sans changement de volume de l’eau (dû au changement de phase). Ensuite, les échantillons sont placés sous vide à température ambiante. A faible pression, lors de la remontée en température de l’eau, celle-ci se transforme directement en vapeur d’eau et est aspirée par du gel de silice situé dans la cloche à vide. Ainsi, l’hydratation ne peut plus se poursuivre et la microstructure n’est que très faiblement altérée [Gallé, 01].
La mesure du degré d’hydratation se fait en comparant les masses d’échantillons à 80 et 550°C en se basant sur l’hypothèse qu’à 550°C toute l’eau liée aux hydrates est évaporée [Grandubé, 07] et sur les quantités d’eau nécessaires à l’hydratation du ciment présenté dans le Tableau I-2. Les résultats de ces essais sont présentés et comparés aux résultats issus de la calorimétrie semi-adiabatique sur la Figure I-11. Les traits verticaux sur les points expérimentaux des valeurs par perte au feu correspondent aux valeurs maximales et minimales obtenues (3 échantillons testés à chaque échéance). Cette comparaison montre un bon accord entre les deux méthodes.
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0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0
Temps (jours)
Degré d'hydratation (-)
Essai calorimètrique Essai par perte au feu
Figure I-11 : Evolution des degrés d’hydratation obtenus par perte au feu et par calorimétrie (essai QAB)
D. Transfert de chaleur (coefficient de conduction et de convection)