2 : Les différentes formes du retrait après prise :

Au cours de la phase « plastique », le béton a connu une première contraction volumique. Après la prise, le béton, qui est devenu un solide poreux, va encore subir quatre formes de retrait [70].

• Le retrait thermique : Les réactions d’hydratations libèrent en fin de prise une certaine quantité de chaleur. Un élément en béton subit alors un échauffement, fonction des conditions d’échange avec le milieu extérieur. En découle alors une dilatation, suivie d’une contraction, qualifiée de retrait thermique, lorsque sa température diminue jusqu’à la température ambiante.

A première vue, le retrait thermique ne devrait pas avoir de conséquence pour le béton, car la contraction n’est que le retour au volume initial, d’avant la dilatation (si bien sûr, le coefficient de dilatation thermique est supposé constant). Cependant, les propriétés mécaniques évoluent très vite au jeune âge. Le module élastique, en particulier, est plus grand pendant la phase de refroidissement. Contrairement aux variations de température, il n’y a donc pas réversibilité des contraintes engendrées par un empêchement des déformations. Il en résulte une contrainte de traction résiduelle, pouvant mener à la fissuration du béton.

• Le retrait endogène ou d’autodessiccation : Nous avons vu précédemment que l’hydratation du ciment s’accompagne d’un diminution de volume. Après la prise, l’hydratation se poursuit. Le retrait endogène est la conséquence macroscopique de la contraction d’origine chimique.

• Le retrait de séchage ou de dessiccation est la déformation volumique créée par le séchage à la surface du béton. Le moteur de la dessiccation est un déséquilibre hydrique : après la prise, l’humidité relative est plus élevée au sein du béton que dans l’air ambiant.

• Le retrait de carbonatation : À la surface d’un béton, la pâte de ciment peut réagir avec l’eau et le gaz carbonique de l’air ambiant. Cette réaction, la carbonatation,

s’accompagne d’une contraction volumique. La peau du béton peut en conséquence se fissurer : on parle de faïençage.

Nous avons choisi de limiter notre étude au retrait total. Le retrait endogène et de dessiccation peuvent être substituer par le retrait total. Quant au retrait de carbonatation se produisant sur une fine épaisseur à la surface du béton, il ne nuit pas à l’intégrité des structures.

a) Les mécanismes de l’hydratation :

Les phases anhydres du ciment portland sont relativement solubles dans l’eau et les réactions d’hydratation ne peuvent se produire sans passage de phases du ciment anhydre en solution dans la phase aqueuse pour donner des ions (ca2+, OH-, AL3+ ….). Les hydrates par contre sont beaucoup moins solubles. C’est pour cette raison que le ciment portland est susceptible de durcir sous l’eau. En 1887, le châtelier a proposé un mécanisme expliquant les réactions d’hydratations du ciment. En présence d’eau, les constituants anhydres du ciment donnent naissance à une solution sursaturée. Des hydrates se forment dans cette solution et précipitent en donnant des microcristaux (début de la prise). Les hydrates formés étant moins solubles que les composants anhydres, ceux-ci peuvent continuer à se dissoudre et à précipiter, de sorte que la réaction se poursuivrait jusqu’à la mise en solution de la totalité du ciment. Le durcissement serait alors dû à la multiplication et à l’adhérence des cristaux formés.

b) Le déroulement de l’hydratation :

Les réactions d’hydratations sont exothermiques. Le déroulement de l’hydratation peut être suivi par une courbe de flux thermique qui donne une mesure de la vitesse globale des réactions.

• Dès que le ciment est mis en contact avec l’eau, un dégagement de chaleur de quelques minutes se produit. Ce premier pic est attribué au passage en solution des ions provenant des constituants du ciment. Il y a formation de silicates de calcium hydraté (C-S-H) et d’ettringite à la surface des aluminates tricalcique (C3A).

• Durant la période dormante, la formation des C-S-H et de l’ettringite se poursuit lentement. Cette phase correspond à la stabilité de la couche d’hydrates primaires.

• Quelques heures après le gâchage, un dégagement de chaleur commence à se produire. Les réactions de prise sont alors déclenchées par la précipitation de la portlandite (Ca (OH) 2). La fin de la prise est caractérisée par une accélération de l’hydratation.

• La période de durcissement (fin de la période de prise) débute par un épuisement du gypse. La solution interstitielle ne contenant plus cet élément, l’ettringite a tendance à former avec l’aluminate excédentaire du monosulfoaluminate, générant un second pic thermique [71].

• Une période de réaction lente succède à ces différentes étapes. Les grains de ciment sont recouverts d’une couche d’hydrates de plus en plus épaisse, ralentissant la diffusion de l’eau vers l’interface réactionnelle.

Et le tout est schématisé sur la courbe de la figure V-1.

FigureV-1 : Courbe type de flux thermique d’une pâte de ciment (d’après Loukili)

c) Nature des déformations libres du béton autoplaçant :

Le volume molaire total des produits d’hydratation du ciment est inférieur 8 à 12 % à celui des composants initiaux. Cette réduction absolue du volume survenant au cours de l’hydratation est connue sous le nom de contraction Le châtelier et ne dépend pas du rapport E/C.

Avant le début de prise, le volume de ciment frais est une suspension dense dont la forme extérieure s’adapte aux variations absolues de volume des constituants. A ce stade, la contraction Le châtelier n’est donc pas perturbé et les réductions absolues et apparentes du volume sont identiques et proportionnelles au degré d’hydratation du ciment.

Flux thermique Temps (en h) Second pic premier pic Periode dormante 1 2 5 9

Figure V-2 : Différentes formes de retrait

A partir du début de prise, la contraction Le châtelier est progressivement entravée par la formation d’un squelette minéral de C-S-H. De plus, l’hydratation consommatrice d’eau, provoque une diminution de la teneur en eau liquide dans un espace entravé qui, par conséquent devient poreux. La réduction apparente du volume de la pâte de ciment est donc inférieure à la réduction absolue de volume prévue par la contraction Le châtelier. L’eau ne pouvant plus occuper tout le volume offert, une phase gazeuse apparaît dans les pores, ainsi que des ménisques aux interfaces liquide-gaz. Des tensions capillaires dues à la présence des ménisques provoquent une mise en compression du squelette minéral rigide qui contribue aux réductions absolues et apparentes du volume au cours de l’hydratation. Cette réduction de volume supplémentaire est appelée le retrait d’autodessiccation de la pâte de ciment (comme mentionné sur l’organigramme de la figure V-2).

On distingue également au cours « des premières heures d’existence » d’un matériau cimentaire une phase de gonflement. Ce dernier est observé après la prise et est consécutif à la constitution des hydrates tels que la portlandite qui se fait avec une augmentation de volume. Les réactions d’hydratation qui comme nous l’avons explicité précédemment sont très exothermique induisent une dilatation du matériau cimentaire. Le retour à une stabilité thermique provoque une contraction du matériau, que l’on définit comme étant le retrait thermique.

Enfin, on parle de retrait de séchage ou de dessiccation, causé par l’évaporation d’une partie de l’eau contenue dans la pâte de ciment. L’évaporation de l’eau est générée par un déséquilibre d’humidité entre le matériau et le milieu environnant. Ce type de retrait (retrait

Retrait

Au jeune âge (<24heures) A long terme (>24 heures)

De dessiccation Endogène

Thermique

De carbonatation Thermique De dessiccation Endogène

plastique) peut se produire lorsque le béton frais, en cours de prise, subit une dessiccation par les faces non coffrées. La déformation apparaît dès que la surface exposée est exempte d’eau de ressuage. Le retrait de séchage est aussi caractéristique de l’état du matériau après prise. Dès le décoffrage, si l’humidité ambiante est inférieure à celle qui règne dans la porosité du matériau, des migrations d’eau se produisent de l’intérieur vers l’extérieur de la structure. V-3 : Effets de la formulation sur la fissurabilité :