Résistance au gel des bétons : approche expérimentale

Il est généralement admis que l’accroissement de volume, de l’ordre de 9 %, accompagnant la transformation de l’eau en glace n’est pas la seule cause de la dégradation du béton. Dans la zone atteinte par le gel, des cristaux de glace se forment dans les plus gros capillaires, créant un déséquilibre thermodynamique qui va déclencher une migration de l’eau des pores les plus petits

vers les pores contenant de l’eau gelée. C’est l’accroissement des pressions hydrauliques dans les capillaires, engendré par ces mouvements de l’eau interne qui est considéré aujourd’hui comme la cause principale des dégradations du béton exposé au gel. Ces pressions peuvent localement fissurer la pâte cimentaire, si elles sont supérieures à la résistance en traction du matériau. Ce sont les modifications répétées et alternées de température qui, après un certain nombre de cycles, peuvent dégrader le béton. Les dégradations sont donc le résultat d’un endommagement progressif.

5.3.2.1.1 Normalisation des essais de cycles gel-dégel

En France, il existe deux normes relatives à la résistance au gel des bétons. La première est la norme NF P 18‑424, aussi appelée « essai de gel sévère ». Il s’agit d’un essai de gel dans l’eau et de dégel dans l’eau. La deuxième, couramment appelée « essai de gel modéré », est décrite dans la norme NF P 18‑425. Il s’agit là d’un essai de gel dans l’air et de dégel dans l’eau. Dans les deux cas, les essais comprennent 300 cycles de gel‑dégel, au cours desquels la température varie entre 9±3 °C et ‑18±2 °C. Les durées d’essais et les pentes de chauffe et de refroidissement des éprouvettes sont décrites dans ces normes.

L’essai choisi pour déterminer la résistance au gel des bétons dans le cadre de travail de recherche est l’essai de gel sévère. En effet, comme précisé dans le Chapitre 3, les bétons formulés doivent répondre à un cahier des charges et doivent satisfaire la classe d’exposition XF1 selon la norme NF EN 206. C’est donc la résistance au gel‑dégel des bétons qui est dimensionnante. 5.3.2.1.2 Fabrication et conservation des éprouvettes

Pour chaque formulation, 6 éprouvettes prismatiques de dimension 7×7×28 cm ont été fabriquées, à l’aide de moules métalliques. Toutes les éprouvettes possèdent des inserts en laiton permettant de mesurer le retrait/gonflement du béton. Les compositions massiques des bétons testés aux cycles gel‑dégel sont données dans le Tableau 5‑4. Le protocole de malaxage est identique à celui présenté dans le paragraphe 2.3.1.2.

Après fabrication, les éprouvettes sont conservées dans les moules pendant 24 heures. La norme NF P 18‑424 préconise une conservation des éprouvettes dans une eau à 20±2°C pendant 28 jours avant de procéder aux cycles de gel‑dégel. Cependant, il est connu qu’une conservation prolongée des fibres végétales dans de l’eau accélère leur détérioration mécanique (Thuault et al., 2014; Toledo Filho et al., 2000). Ainsi, afin de limiter le risque d’une détérioration avancée des fibres de lin avant les essais au gel‑dégel, les éprouvettes de bétons ont été stockées jusqu’à leur 28 jours dans une chambre de conservation à 20±2 °C et >90 %HR. Afin que les éprouvettes soient tout de même saturées en eau avant le début des essais au gel‑dégel, les éprouvettes ont été mise dans l’eau pendant 48 heures, tout en faisant le vide, afin de les pré‑saturer.

5.3.2.1.3 Description des essais expérimentaux de gel-dégel

de refroidissement‑chauffage préprogrammés (Figure 5‑11). Elle est pilotée à l’aide d’un régulateur connecté à un thermocouple placé à l’intérieur, et est équipée d’un dispositif de brassage d’air permettant une bonne homogénéisation de l’air dans l’espace. La température varie de 9°C à ‑18°C, avec une vitesse de gel d’environ 9°C.h‑1. Un cycle de gel‑dégel s’effectue en 4 heures et 30 minutes.

Figure 5-11 : Enceinte climatique WEISS Technik

Afin de vérifier que les températures désirées étaient bien atteintes dans les éprouvettes, nous avons placé deux thermocouples reliés à une centrale d’acquisition au centre de deux éprouvettes placées dans les parties haute et basse de l’enceinte. La Figure 5‑12 présente l’évolution de la température au cœur des deux échantillons au cours d’un cycle de gel‑dégel. On constate sur ce graphique que la température dans l’éprouvette respecte bien les consignes de température préconisées par la norme NF P 18‑424. Par ailleurs, on note que les deux échantillons placés dans des zones différentes dans l’enceinte ont des évolutions de températures très similaires, ce qui traduit une bonne homogénéité de la température dans l’enceinte.

Figure 5-12 : Evolution des températures au cœur des éprouvettes au cours d’un cycle de gel-dégel

5.3.2.1.4 Suivi de la détérioration et détermination des propriétés résiduelles

Afin de suivre l’endommagement au cours des 300 cycles de gel‑dégel auxquels seront soumis les bétons, plusieurs essais non destructifs ont été faits, tous les 30 à 60 cycles :

 Suivi dimensionnel : la longueur des éprouvettes de bétons a été mesurée avec l’appareil de mesure du retrait sur éprouvettes 7×7×28 cm. Si l’allongement médian obtenu sur la série de trois prismes est supérieur à 500 µm.m‑1, le béton ne peut être validé comme résistant aux cycles de gel‑dégel au sens de la norme NF P18‑424.  Suivi massique : la masse des éprouvettes a également été mesurée régulièrement. La

norme NF P18‑424 ne définit pas de critère d’arrêt sur le suivi de masse.

 Suivi mécanique : ce suivi mécanique a été fait par mesure des fréquences de résonance fondamentales longitudinales des éprouvettes prismatiques. L’endommagement peut être évalué par l’Eq. 29, selon la norme NF P 18‑424. Le béton est considéré comme invalide si l’endommagement est inférieur à 60.

Endommagement =

²

∗ 100 ^{Eq. 29}

Avec :

Fn est la fréquence de résonance fondamentale mesurée à l’échéance n ;

F0 est la fréquence de résonance fondamentale mesurée initialement.

Ces essais non destructifs permettent de suivre l’endommagement des éprouvettes. Toutefois, afin d’observer l’effet réel des cycles de gel‑dégel sur le comportement des bétons, les propriétés mécaniques et physiques ont été déterminées avant le début des cycles et après les 300 cycles préconisés. Ainsi, les résistances à la flexion et compression et la porosité ont été mesurées par des

5.3.2.2 Evaluation de l’endommagement au cours des cycles de gel-dégel par