Sous sollicitation de compression

Le comportement en compression dépend du caractère uniaxial ou triaxial de la sollicitation appliquée. La propagation de la microfissuration pour donner des macrofissures cause la rupture des échantillons. Lors de l’essai triaxial, le matériau est confiné, puis on lui applique une contrainte axiale. La fermeture des microfissures par le confinement explique l’augmentation de la résistance dans ce type d’essai.

La caractérisation d’un essai de compression se fait également en suivant l’évolution du module de Young E et du coefficient de Poisson υ. L’analyse de l’influence de l’état de saturation sur leur évolution est détaillée au paragraphe III.1.1.3.

Lors d’un essai de compression simple, le matériau est sollicité axialement jusqu’à rupture. Avant d’atteindre la contrainte maximale, des cycles de chargements/déchargements peuvent être appliqués afin de suivre l’évolution des caractéristiques du matériau. Quatre phases sont distinguées durant un essai de compression :

• la première phase correspond à la réponse élastique du matériau jusqu’à environ la moitié de la contrainte de rupture. Les déformations engendrées par l’application de la charge sont réversibles ;

• ensuite, la phase plastique induit des déformations irréversibles pour une contrainte aux alentours de 80% de la valeur de rupture. La microfissuration se développe principalement dans les auréoles de transition ;

• à l’approche de la contrainte maximale, l’échantillon présente un comportement dilatant, traduit par l’augmentation du coefficient de Poisson. La macrofissuration apparaît grâce à la connexion des microfissures ;

• après la rupture du matériau, une phase d’adoucissement se manifeste, caractérisant son effondrement.

Lors d’un essai en compression triaxiale, une phase de serrage peut apparaître, correspondant à la fermeture des microfissures présentes au sein du matériau avant l’essai. La figure 1.32 présente l’évolution classique des déformations en fonction de la contrainte appliquée, pour un essai de compression triaxiale sous un faible confinement, ainsi que les différentes phases de l’essai [Burlion 02].

Fig. 1. 32 : Evolution des déformations en fonction de la contrainte lors d’un essai de compression triaxial sous faible confinement [Burlion 02]

L’état hydrique du matériau influence son comportement mécanique. La tendance actuelle pour étudier ce couplage consiste à mesurer la résistance d’un même matériau à différents états de saturation [Pihlajavaara 74 ; Okajima 80 ; Popovics 86 ; Bartlett 94 ; Torrenti 87 : cités par Burlion 02 ; Yurtdas 03 ; Rougelot 08].

III.1.1.1 Evolution de la résistance uniaxiale

L’étude du comportement en compression simple en fonction de l’état de saturation donne des tendances différentes. Ainsi certains auteurs trouvent une amélioration de résistance avec la dessiccation [Yurtdas 03 ; Yurtdas 04 ; Burlion 03 ; Burlion 05 ; Bartlett 94; Popovics 86], tandis que d’autres trouvent une évolution plus « aléatoire » [Okajima 80 ; Pihlajavaara 74]. Ces tendances différentes s’expliquent par les méthodes de fabrication et de cure des échantillons.

Pour analyser le comportement mécanique du matériau en fonction de la dessiccation, nous allons nous appuyer sur les résultats de Burlion et al., qui présentent les mêmes conditions de fabrication et de cure que nos matériaux [Burlion 03].

Fig. 1. 33 : Influence de la perte en poids d’un mortier normalisé sur sa résistance en compression uniaxiale [Burlion 03]

Burlion et al. ont testé en compression simple des éprouvettes de mortier en fonction de leur état de saturation (saturé, sec et à dessiccation contrôlée). La résistance obtenue pour chacun des échantillons est reliée à sa perte en poids, renseignant sur son état de saturation.

Les résultats montrent que la dessiccation peut être bénéfique à la résistance en compression. La succion capillaire est avancée pour expliquer cette augmentation de la résistance avec la diminution de la saturation du matériau. En effet, la dépression capillaire est l’une des causes du retrait de dessiccation. Le matériau ainsi contracté localement sera plus résistant qu’à l’état saturé. La seconde hypothèse fait référence aux gradients hydriques, causant l’un des effets structurels de la dessiccation. La non-uniformité des gradients hydriques entre le cœur et la surface du matériau amène également une contraction de la matrice cimentaire, ce qui a pour conséquence l’amélioration de la résistance.

Influence de la composition

En outre, le comportement mécanique d’un matériau cimentaire soumis à la dessiccation est dépendant de son rapport E/C. La figure 1.34 rapporte les résistances en compression obtenues par Yurtdas et al. sur deux mortiers, différenciés par leur E/C [Yurtdas 06].

Fig. 1. 34 : Influence du rapport E/C sur la résistance mécanique de mortiers soumis à la dessiccation [Yurtdas 06]

Le comportement du mortier à E/C=0,8 se différentie de celui à E/C=0,5 par la diminution de résistance observée à l’état sec. Yurtdas et al. estiment que l’influence de la variation capillaire dans le mortier E/C=0,8 ne permet plus de compenser la microfissuration qui se développe durant l’essai, pour un état de saturation inférieur à celui présentant une augmentation de résistance de 32% par rapport à l’état saturé.

III.1.1.2 Evolution de la résistance déviatorique

L’essai de compression considéré dans ce paragraphe est un essai de révolution conduit par l’application d’un confinement et d’une contrainte déviatorique.

Le comportement d’un matériau cimentaire lors d’un essai de compression triaxiale est avant tout dépendant de la pression de confinement appliquée. La figure 1.35 montre les résultats de Jamet [Jamet 86 ; Rutland 97 ; Van Mier 84].

Fig. 1. 35 : Influence de la pression de confinement sur la résistance [Jamet 86]

La contrainte de rupture augmente avec le confinement. L’augmentation de la pression de confinement amène la fermeture des microfissures qui peinent à se propager dans le matériau, le rendant ainsi plus résistant.

Par ailleurs, le comportement du matériau est fonction de la pression de confinement appliquée, comme le montre la figure 1.36 [Burlion 03]. Plus le confinement est fort, plus la propagation des fissures est retenue et ainsi, plus la résistance est importante, induisant au béton est un comportement de plus en plus durcissant.

Fig. 1. 36 : influence du confinement sur le comportement du matériau [Burlion 03]

Dans le cas de notre étude, notre objectif est de comparer le comportement du matériau sous compression uniaxiale ou triaxiale en fonction de la saturation du matériau. Le confinement retenu est de 5 MPa et par conséquent, le comportement attendu du matériau est adoucissant.

Nous considérons maintenant le travail de Yurtdas [Yurtdas 03], qui a étudié le couplage hydro-mécanique sur des mortiers. Ces résultats sont intéressants pour notre étude car les

conditions de fabrication et de cure du matériau sont identiques aux notres. Yurtdas a effectué cette analyse en fonction de la sollicitation appliquée (uniaxiale ou triaxiale). Ses résultats sont donnés par la figure 1.37 :

Fig. 1. 37 : Résultats de la résistance en compression simple et triaxiale d’un mortier en fonction de la perte en poids [Yurtdas 03]

Les résultats de Yurtdas montrent une amélioration de la résistance avec la dessiccation du matériau dans les deux cas de chargement. L’augmentation de pression capillaire avec le séchage du matériau, ainsi que l’effet structurel des gradients hydriques induisent un état précontraint, ce qui rend le matériau plus résistant.

Les résultats indiquent également que l’augmentation de la résistance dans le cas triaxial est supérieure à celle de la résistance uniaxiale. La pression de confinement appliquée (15 MPa) amènerait un retard de la propagation des fissures, permettant une résistance accrue.

III.1.1.3 Comparaison des propriétés élastiques

En ce qui concerne les propriétés élastiques, des différences sont également présentes dans les évolutions données dans la littérature [Okajima 80 ; Torrenti 87].

Notre objectif se focalisant sur la compréhension des évolutions des coefficients élastiques en fonction du type de compression, nous nous appuyons sur l’analyse menée par Yurtdas sur la dessiccation d’un mortier avec un rapport E/C=0,5. La figure 1.38 présente l’évolution du module de Young et celle de l’évolution du coefficient de Poisson est illustrée par la figure 1.39. Ces courbes sont données en fonction de la perte en poids des éprouvettes [Yurtdas 03].

Fig. 1. 38 : Evolution du module de Young en fonction de la perte en poids d’un mortier à E/C=0,5 [Yurtdas 03]

Fig. 1. 39 : Evolution du coefficient de Poisson en fonction de la perte en poids d’un mortier à E/C=0,5 [Yurtdas 03]

Nous constatons tout d’abord que les coefficients élastiques initiaux suivent la même tendance dans les deux cas de chargement. Le confinement appliqué en compression triaxiale n’influence pas les coefficients élastiques initiaux, certainement à cause de sa faible valeur (15 MPa).

Les tendances des coefficients élastiques montrent deux parties : une première pour une variation de masse inférieure à 3% où les coefficients restent constants et une seconde partie, pour des pertes de masse supérieures à 3%, qui présente une diminution jusqu’à l’état sec. Cette valeur « limite » de 3% se retrouve également sur la courbe qui relie le retrait et la perte de masse correspondant à l’apparition de la microfissuration. L’effet de compétition entre les effets structurels des gradients hydriques et la succion capillaire est alors mis en exergue : tant que les effets de la pression capillaire sont prépondérants, les propriétés élastiques n’évoluent pas. Une fois que la microfissuration, induite par les gradients hydriques, ne peut plus être compensée par l’état précontraint du matériau, les propriétés élastiques diminuent avec la microfissuration. Yurtdas conclue à l’existence d’un endommagement hydrique qui conditionne l’endommagement mécanique.

Par ailleurs, Burlion et al. font une comparaison entre le mortier normalisé et un béton. La comparaison de l’évolution du module de Young en fonction de la perte en masse est présentée dans la figure 1.40 [Burlion 02]. Dans cette étude, le mortier correspond au mortier à E/C=0,5 analysé par Yurtdas, présenté précédemment.

Fig. 1. 40 : Evolution du module de Young d’un mortier normalisé et d’un béton sous dessiccation [Burlion 03]

L’évolution du module de Young du béton est plus importante que celle du mortier. Ces résultats mettent en évidence l’influence de l’effet de structure imposé par la présence des granulats. Ils ne sont pas sensibles à la dessiccation, induisant de la microfissuration aux auréoles de transition. Ainsi, la charge mécanique imposée au béton aide à la propagation de la microfissuration de dessiccation, significative de la diminution du module de Young. L’effet de structure des granulats, induit par la dessiccation, est plus prononcé pour un béton à cause des interfaces pâte de ciment/granulat plus importantes que dans le mortier. Burlion et

al. concluent alors que l’endommagement hydrique affecte plus le comportement mécanique

du béton que celui du mortier, à cause de la présence de gros granulats.