Gonflement

Sous des conditions saturées, il est généralement observé une expansion/gonflement du matériau cimentaire. Dans le cas du gonflement, la formation d’ettringite peut être à l’origine de ce phénomène. On parle alors de gonflement ettringitique. On pense en effet que les pressions de cristallisations associées à la croissance des cristaux d’ettringite peuvent provoquer une extension du volume apparent. Le cas des cristaux portlandite dans le BHP a été décrit par Vernet [88]. Une autre explication possible est celle qui se base sur les observations de Barcelo [95]. Selon l’auteur, les produits externes d’hydratation sont localisés dans un volume occupé précédemment par le fluide dans les pores et le bilan volumique de la réaction donnera une contraction. Par contre, les produits

internes d’hydratation vont occuper un volume fixe qui correspond à celui du ciment anhydre consommé. De ce fait, les nouveaux hydrates qui se forment vont engendrer soit une densification du produit externe soit une expulsion de ce dernier. Bjøntergaard [55], propose le phénomène de réabsorption de l’eau ressuée comme solution au problème de gonflement. Ainsi, l’auteur a montré expérimentalement qu’une pâte avec un ressuage ’naturel’ produit un gonflement initial alors qu’il est fortement réduit si cette eau est enlevée. De plus, si de l’eau est ajoutée sur l’échantillon ressué, une expansion plus grande et plus longue est obtenue. Dans le cas où il n’y pas de ressuage externe, l’auteur propose le mécanisme de ressuage interne qui conduit aux mêmes conséquences. Cette dernière hypothèse est à exclure selon Lura [96], étant donné que le ressuage ne fait que changer les propriétés physiques du matériau et le cours de l’hydratation. Il permet ainsi une accélération ou au contraire un retardement, de l’autodessiccation qui éventuellement, surpassera l’expansion [97].

4 Retrait de dessiccation

Le retrait de dessiccation est lié à la différence d’hygrométrie entre le matériau cimentaire et l’environnement extérieur. Les gradients hydriques sont forts au voisinage des surfaces d’échange avec le milieu extérieur et plus faible au centre de l’éprouvette. Cela conduit à un état de contrainte comme illustré sur la Figure 1-28a avec de la traction en superficie et de la compression au cœur (la somme des autocontraintes étant nulle pour l’équilibre global d’une section comme indiqué sur la Figure 1-28). Les tractions en surface peuvent conduire à une fissuration en peau et donc à une relaxation partielle des contraintes (Figure 1-28) [98-99]. Cet effet structural dépend fortement de la géométrie de la pièce et des conditions aux limites.

Grâce à la technique des répliques, consistant à observer une empreinte protégée par un film en plastique insensible au vide du MEB, Pons [104] a observé une microfissuration prononcée sur des éprouvettes, après 400 jours de dessiccation.

Figure 1-28: Profil des contraintes d’une éprouvette soumise au retrait de dessiccation [100]

L’analyse des résultats expérimentaux obtenus sur différentes formulations de béton [99] montre que trois phases distinctes peuvent être observées lorsque la déformation de retrait de dessiccation est représentée en fonction de la perte en poids relative (Figure 1-29) :

(b) Répartition des contraintes après fissuration de peau

(a) Répartition théorique des contraintes

Figure 1-29: Evolution de la déformation du retrait de dessiccation avec la perte en poids pour différents types de béton [103].

- une première phase où le séchage n'induit pas de retrait apparent,

- une deuxième phase où le retrait est proportionnelle à la perte de masse d'eau due à l'évaporation,

- une troisième phase où le retrait devient asymptotique.

5 Retrait de carbonatation

Le retrait de carbonatation est le résultat de la carbonatation de la matrice cimentaire par le CO2

atmosphérique en présence d’humidité. Les mécanismes physico-chimiques responsables du phénomène de carbonatation sont détaillés plus loin dans la section « Durabilité ». L’effet du retrait de carbonatation est limité sur les couches supérieures de béton, à l'exception des éléments minces. Son amplitude est généralement négligeable par rapport aux autres types de retrait [101]. Les facteurs principaux qui influent sur le retrait de carbonatation sont la perméabilité du béton, sa teneur en portlandite, sa teneur en humidité, son rapport E/C ainsi que le taux de dioxyde de carbone dans l'air et l'humidité relative du milieu extérieur [102].

6 Retrait thermique

La dilatation ou l’expansion thermique du béton concerne les changements de volume qui se produisent lorsque le béton est soumis à des variations de température. La dilatation thermique peut provoquer des problèmes lorsque la vitesse de variation de température est grande entraînant ainsi d’importants gradients au-dessus de la section transversale du matériau.

Au jeune âge, la température du béton change en raison de l'hydratation du ciment. En règle générale, la chaleur d'hydratation est d'environ 5 à 8 °C (10-15° F) pour 45 kg de ciment [103]. Ainsi, un mélange de mortier produit une plus grande quantité de chaleur qu’un béton, car il est plus riche en ciment. L'échauffement se produit généralement dans les 12 premières heures tant qu'aucune condition de retard n’intervienne. Après cette première phase d’échauffement, le béton refroidit et

se contacte. Une partie de la déformation est non-élastique, ce qui se traduira par un retrait au jeune âge.

Le gradient résultant de températures non uniformes provoque des déformations différentielles et peut entraîner des fissures. Pendant les premiers temps, la différence de température au sein d'un échantillon de béton provoque des déformations thermiques de sorte que la surface extérieure aura une température différente (en raison de l'échange environnemental) de la température du cœur. Le gradient se développe lorsque la température d'équilibre ne peut être atteinte, ce qui produit ainsi des déformations et des risques de fissuration. Le risque devient encore plus important dans les structures massives en béton (c'est-à-dire > 1 mètre d'épaisseur), car il faut beaucoup plus de temps pour obtenir un équilibre de température. Par ailleurs, des dilatations thermiques peuvent aussi être un problème si le béton est empêché de se déformer de quelque manière que ce soit, et s’il n'y a pas de place pour produire le changement de volume, comme une grande dalle retenue sans joint.

Chaque béton a un coefficient de dilatation thermique, qui est en fonction des propriétés des matériaux (telles que la nature des granulats et le rapport E/C). Pendant les premiers âges, le coefficient de dilatation thermique varie très rapidement, à l’image de la résistance du béton. Hedlund (1996), en Suède, a fourni des mesures de coefficients de dilatation thermique du béton au jeune âge en fonction du temps. Ces résultats ont été complétés par les travaux de Weigler et Alexanderson [104], qui ont fourni des valeurs encore plus élevées dans les premières heures. Le coefficient de dilatation thermique atteint son asymptote après 24 heures. Les valeurs typiques obtenues sur un béton mature sont de 6 à 12 με/°C.

7 Principaux modèles prédictifs des déformations dues au retrait

Il existe dans la littérature plusieurs modèles pour prédire le retrait dans un béton. Parmi ces modèles on peut citer : les modèles de American Concrete Institute (ACI-209 (1992)), le modèle de ZP Bazant et le modèle de S. Baweja (B3 (2000)), le modèle de Gardner et Lockman (GL (2000)), le modèle du Comité Béton Euro-International et la Fédération internationale pour la modèle de précontrainte (CEB-FIP (1990)), le code espagnol pour la modèle de structure de béton (EHE), le modèle de l’Eurocode (2004), et le modèle JSCE de la Société japonaise (JSCE (2002)). Ces modèles souvent de nature empirique développés à partir de données expérimentales ont été intégrées dans divers codes et normes, à l'exception des modèles B3 et GL2000. Nous développons dans ce qui suit les principaux modèles existants.