Étude de l'influence du rapport eau/liant, de la fumée de silice et d'un agent réducteur de retrait sur le retrait endogène de pâtes de ciment

Universite de Sherbrooke

31156008605290

UNIVERSITE DE SHERBROOKE

Departement de genie civil

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TH^ S

^

ETUDE DE L'lNFLUENCE DU RAPPORT EAU/LIANT, DE LA FUMEE DE SILICE

ET D'UN AGENT REDUCTEUR DE RETRAIT SUR LE RETRAIT ENDOGENE

DE PATHS DE CIMENT

Memoire de maitrise es sciences appliquees

Specialite : genie civil

Idriss AOUAD

1*1

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SOMMAIRE

Meme si decouvert des 1900 par LeChatelier, Ie phenomene du retrait endogene dans les betons n'ajamais suscite un interet accm, une bonne cure suffisait a limiter son effet. Cependant avec Ie vieillissement des ouvrages et les couts exorbitants que necessite leur entretien et leur reparation, Ie principe de durabilite du beton arme a commence a prendre de plus en plus d'importance. C'est dans ce cadre que les betons a hautes perfomiances ont fait leur apparition. Presentant de tres bonnes caracteristiques mecaniques et de durabilite, ils ont, cependant, Ie defaut d'avoir un grand retrait endogene ajeune age, quand ils ne sont pas muris a 1'eau, ce qui augmente les risques de fissuration, limitant ainsi leur performance a long terme. II s'avere done necessaire d'etudier en detail Ie phenomene du retrait endogene.

Toutefois, les methodes traditionnelles de mesure du retrait endogene, pour la plupart, sont peu efficaces, et ce, pour plusieurs raisons, telles que, Ie moment tardif de la premiere mesure, Fimpossibilite de dissocier entre les differentes composantes du retrait, 1'interaction avec 1'eau lors de la mesure du retrait endogene total, etc. Pour pouvoir palier a certains de ces inconvenients, une nouvelle cellule de mesure du retrait a ete mise au point a 1'Universite de Sherbrooke. Elle permet entre autre de mesurer separement Ie retrait endogene exteme et Ie retrait endogene inteme, par une approche, on Ie verra, originale.

Ainsi, cette maitrise a pour but de parfaire Ie fonctionnement de la cellule, de verifier la validite de ses mesures et enfin, d'evaluer 1'influence de certains facteurs, tels que Ie rapport E/L, la teneur en fumee de silice. Ie dosage en agent reducteur de retrait et Ie dosage en agent colloidal sur les differentes composantes du retrait endogene. Pour cela, deux programmes d'essais ont ete mis en oeuvre, 1'un visant principalement a etudier 1'effet du rapport E/L et de la teneur en fumee de silice sur les differents retraits endogenes et 1'autre a etudier 1'effet d'un agent reducteur de retrait. Pour augmenter la fiabilite de 1'etude, la planification et 1'analyse de ces essais ont ete menees a 1'aide d'un plan d'experience et d'une analyse statistique.

-N.B. : Pow-faciliter la lecture du present memoire 1'annexe F renferme un recapitulatif des definitions de certains termes qui y sont utilises.

REMERCIEMENTS

Par ces lignes, qu'il me soit permis d'exprimer mes profoncfs remerciements a mon directeur de recherche Pr Richard GAGNE, ainsi qu'a mon codirecteur Pr Pierre-Claude AITCESf qui m'ont eclaire de leurs conseils tout au long de la realisation de cette maitrise. La reussite de ce projet de recherche doit beaucoup a leurs encouragements et a leur aimable attention..

Je desire aussi remercier Messieurs Claude Faucher et Claude Poulin, ainsi que Mesdames Irene Kesley-Leveque et Maryse D'Arcy pour leur aide et leur assistance dans 1'accomplissement deceprojet.

J'aimerais aussi faire part de mes remerciements a tous mes collegues de genie civil qui ont fait de ces deux annees une belle experience.

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TABLE DES MATIERES

page

1. LESDIFFERENTS TYPES DE RETRAITS... 1

1.1 Retrait plastique...1

1.2 Retrait de dessiccation...1

1.2.1 Depression capillaire...2

1.2.2 Variation de la tension superficielle des particules colloidales ... 4

1.2.3 Variation de la pression de disjonction... 8

1.3 Retrait themiique...9

1.4 Retrait de carbonatation. ...10

1.5 Retrait endogene...11

1.5.1 Retrait endogene d'origine chimique. ... 11

1.5.2 Retrait endogene d'origine physique. ... 16

2. FACTEURS INFLUEN^ANT LE RETRAIT ENDOGENE EXTERNE... 18

2.1 Rapport E/C... 18

2.2 Type de ciment... 19

2.3 Composition minerale du ciment. ... 21

2.4 Finesse du ciment...22

2.5 Ajouts mineraux...23

2.6 Ajouts chimiques...26

3. METHODES DE MESUREDURETRAITCHIMIQUE... 28

3.1 Le Chatelier...28

3.2 Retrait endogene total. ...28

3.2.T Dilatometrie...28

3.2:2 Gravimetrie...29

3.3 Retrait endogene exteme...30

3.3.1 Dilatometrie...30

3.3.2 Gravimetrie... 32

3.3.3 Jensen et Hansen...32

4. BUT DE LA RECHERCHEET PROGRAMME DESESSAIS...34

4.1 But de la recherche...34 4.2 Programme d'essai...36 5. MATERIAUX,MELANGESET PROCEDURES...39 5.1 Maferiaux ...39 5.1.1 Eau...:...39 5.1.2 Ciment...39 5.1-3-: Fumee de silice. ...40

5.1.5 Adjuvants... 42

a) Superplastifiant...42

b) Agent colloi'dal...42

c) Agent reducteur de retrait. ... 42

5.1.6 Constituants de la cellule. ... 43 a) Plastique poreux...43 b) Membranes...T.'...43 c) Papier filtre...44 d) Autres...44 5.2 Melanges...44

5.2.1 Composition et appellation des melanges effectues...44

5.2.2 Caracteristiques rheologiques des melanges effectues... 46

5.2.3 Discussion sur les melanges. ...47

5.3 Procedures...^? 5.3.1 Preparation des pates... ...47

5.3.2 Description et presentation de la cellule d'essai... 48

5.3.3 Mode operatoire...48

a) Preparation de Fenceinte inteme. ...48

b) Preparation de 1'essai...51

c) Lecture des valeurs... . ...53

5.3.4 Presentation des resultats preliminaires. ... 54

5.3.5 Commentaires sur la conception et Ie fonctionnement de la cellule d'essai... ...58

5.3.6 Mesure du degre d'hydratation. ... 62

6. PRESENTATIONET ANALYSE DESRESULTATS...65

6.1 Analyse et traitement des mesures bmtes de changement de volume... 65

6.1.1 Retrait endogene inteme... 65

6.1.2 Retrait endogene exteme...66

6.1.3 Retrait endogene total... 69

6.1.4 Essai sur un coulis de cendre volante...71

6.2 Interpretation et comparaison des courbes de changement de volume. ...72

6.271 Influence du rapport E/L. ...72

6.2.2 Influence de la fumee de silice...74

6.2.3 Influence de 1'agent reducteur de retrait... 75

6.3 Analyse des resultats de changement de volume apres 7 jours d'hydratation...76

6.3.1 Presentation des resultats... 76

6.3.2 Temps de prise...79

6.3.3 Retrait endogene inteme... 80

6.3.4 Retraits endogenes exteme, exteme avant prise et exteme apres la prise... ....82

6.3.5 Retrait endogene total... 86

6.3.6 Effet de 1'agent colloi'dal : gomme Wellan... 87

6.3.7 Agent reducteur de retrait. ...88

6.3.8 Analyse de variance...90

a) Resultats de la premiere etape de 1'experimentation.'... 90

b) Resultats de la seconde etape de 1'experimentation...93

6.3r9-' Analyse statistique par Ie logiciel Stat-ease... 94

6.3.11 Comparaison des resultats de la presente recherche avec ceux de la

litterature...101

6.4 Analyse des resultats de changement de volume en ml par lOOg de ciment hydrate... . 106

6.4.1 Analyse des degres d'hydratation. ... 106

6.4.2 Presentation des resultats...110

6.4.3 Retrait endogene inteme intrinseque. ...112

6.4.4 Retrait endogene exteme intrinseque ...^.'...113

6.4.5 Retrait endogene total intrinseque ...114

6.4.6 Agent reducteur de retrait. ...115

6.4.7 Analyse de variance...116

a) Resultats de la premiere etape de F experimentation... 116

b) Resultats de la seconde etape de 1'experimentation...118

6.4.8 Analyse statistique par Ie logiciel Stat-ease...118

CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

BIBLIOGRAPHIE

ANNEXE. A-Courbes des retraits endogenes inteme, exteme et-total pour les essais de la premiere etape

ANNEXES Tableaux des lectures et des resultats des retraits endogenes inteme, exteme et total pour les essais de la premiere etape

ANNEXE C Courbes des retraits endogenes inteme, exteme et total pour les essais de la seconde etape

ANNEXE D Tableau des lectures et courbes des retraits endogenes inteme, exteme et total pour 1'essaisurmortier

ANNEXE E_ Caracteristiques de certains materiaux utilises dans la presente recherche

ANNEXEF Lexique (recapitulatif des definitions de certains termes utilises dans Ie present

LISTE DES FIGURES

page

Figure 1.1 : Representation schematique des differents types d'eau dans une pate de ciment.. 2 a. Modele de Powers et Bnmauer [1968]

b. ModeledeFeldmanetSereda[1968]

c. Modele de Wittman [ 1976]

Figure 1.2 : Schematisation d'un menisque dans un capillaire... 3

Figure 1.3 : Evolution de la microstmcture dans un mortier au cours de 1'hydratation. ... 5 a 7

Figure 1.4 : Augmentation de la temperature du beton au cours de 1'hydratation... 10

Figure 1.5 : Mesure du retrait endogene d'origine chimique dans une pate de ciment. ... 12 Figure 1.6 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et

100% d'hydratation pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,42... 14

Figure 1.7 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et

a hydratation complete pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,30... 15

Figure 1.8 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et

100% d'hydratation pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,70... 15 Figure 2.1 : Influence du rapport E/C sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis... 19

Nomenclah-ire : N17-10-2.0 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

Figure 2.2 : Influence du type de ciment sur Ie retrait endogene d'un coulis... 20

Figure 2.3 \ Comparaison entre les retraits endogenes extemes : calcule par la formule

et mesure...22

Figure 2.4 : Influence de la finesse du ciment sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis... 23 Figure 2.5 : Influence des laitiers de hauts foumeaux sur Ie retrait endogene exteme

d'un coulis ...24

Nomenclature : N40-25 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par des scenes de hauts foumeaux)

Figure 2.6 : Influence de la fumee de silice sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis... 25

Nomenclature : N23-20-0,6 (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage) (Pourcentage de substitition du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

Figure 2.7 : Influence des ajouts expansifs sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis... 25 Nomenclature : N30-10-0 El (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage) (Pourcentage de substitution du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant) '"(type d'ajout expansif)

Figure 2.8 : Influence d'une poudre hydrophobe (water repellent-treated silica powder)

sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis... 25

Nomenclature : N40-5-0 (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage) (Pourcentage de substitution du ciment par la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant) Figure 2.9 : Influence des superplastifiants... 27

Nomenclature : N30-0-0,4 SP1 (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage) (Pourcentage de substitution du cunent par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant) (type de superplastifiant) Figure 2.10 : Influence des reducteurs de retrait de dessiccation. ...27

Nomenclahire : N30-0-2 D 1 (type de cimentvoir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage) (Pourcentage de substitition du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiiant) (type de reducteur de retrait) Figure 3.1 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene total par dilatometrie... 29

Figure 3.2 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene total par gravimetrie... 30

Figure 3.3 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par dilatometrie... 31

Figure 3.4 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par dilatometrie pendant les 24 premieres heures. ... 31

Figure 3.5 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par gravimetrie... 32

Figure 3.6 : Dilatometre pour la mesure du retrait endogene exteme..:... 33

a. deux echantillons a tester b. echantillon de reference de longueur approximative 300 mm Figure 4.1 : Defaillance de la nonne ASTM C157 pour la mesure du retrait endogene exteme ...34

Figure 4.2 : Plan d'experience de la premiere etape d'experimentation. ... 37

Figure 4.3 : Plan d'experience de la seconde etape d'experimentation. ... 38

Figure 4.4-: Plan compose...38

Figure 5.1: Vue microscopique d'une plaque de plastique poreux... 43

Figure 5.2 : Schema de la cellule...49

Figure 5.3 : Systeme de mesure par volume de controle. ... 50

Figure 5.4 : Evolution des lectures effectuees sur la cellule pour Ie retrait endogene inteme et Ie retrait endogene exteme ... 54

Figure 5.5 : Evolution des lectures inteme et exteme... 57

Figure 5.6 : Courbe de calibration pour la correction de la lecture exteme en fonction - de la temperature de 1'eau...59

Figure 5.7 : Comparaison entre la mesure des retraits endogenes en utilisant 1 tige ou 5 tiges...61

Figure 5.8 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide avec

Fhydratation... 63

Figure 6.1 : Evolution des retraits endogenes inteme, exteme et total apres traitement... 66

Figure 6.2 : a. Phenomene de la bosse observe pour Ie retrait endogene exteme b. Evolution de la temperature dans 1'echantillon de betori^.7...67

AT : echantillon isole thenniquement AS : echantillon non isole thermiquement Figure 6.3 : Phenomene de la bosse observe pour Ie retrait endogene exteme... 68

Figure 6.4 : Courbes de variation des retraits endogenes et de la temperature de l'echantillon.69 Figure 6.5 : Courbes typiques des retraits endogenes inteme, exteme et total avec Ie developpement de la structure de la pate correspondant... 70

Figure 6.6 : Evolution des retraits endogenes inteme, exteme et total pour un coulis de cendre volante...72

Figure 6.7 : Comparaison entre les courbes des retraits endogenes pour deux coulis de ciment de Type 10 ayant des rapports E/L de 0,25 et de 0,45... 73

Figure 6.8 : Comparaison entre les courbes des retraits endogenes pour deux coulis de rapport E/L=0,35 contenant 0% et de 16% de fumee de silice... 75

Figure 6.9 : Comparaison entre les courbes des retraits endogenes pour deux coulis de rapport E/L=0,35 contenant 0 ml et 16 ml d'agent reducteur de retrait par kilogramme de ciment...76

Figure 6.10: Temps de debut de prise pour les essais de la premiere etape... 79

Figure 6.11 : Retrait endogene inteme a 7 jours pour les essais de la premiere etape. ... 81

Figure 6.12 : Retrait endogene exteme a 7 jours pour les essais de la premiere etape... 82

Figure 6.13 : Retrait endogene exteme avant prise pour les essais de la premiere etape... 83

Figure 6.14 : Retrait endogene exteme apres prise pour les essais de la premiere etape... 84

Figure 6.15: Retrait endogene exteme apres prise / Retrait endogene exteme... 86

Figure 6.16: Retrait endogene total a 7 jours pour les essais de la premiere etape. ... 86

Figure 6.17 : Effet de 1'agent colloidal (gomme Wellan) sur Ie retrait endogene exteme... 87

Figure 6.18 : Effet de 1'agent reducteur de retrait (Eclipse) et du Type de ciment

Figure 6.19 : Representation du phenomene de 1'interaction entre facteurs A et B ayant deux niveaux 1 et 2...92

Figure 6.20 : Surfaces de reponse des retraits endogenes, exprimes en pourcentage volumique, en fonction du rapport E/L, de la teneur en FS et du dosage

en Eclipse...98

a) Retrait endogene inteme b) Retrait endogene exteme c) Retrait endogene exteme avant prise d) Retrait endogene exteme apres prise

e) Retrait endogene total

Figure 6.22 : Degres d'hydratation condges des coulis a7jours... 108

Figure 6.23 : Degres d'hydratation corriges des coulis a 7 jours pour la seconde etape de 1'experimentation...110

Figure 6.24 : Retraitendogeneintemeintrinseque... 112

Figure 6.25 : Retrait endogene exteme intrinseque...113

Figure 6.26 : Retrait endogene total intrinseque... 114

Figure 6.27 : Effet de 1'agent reducteur de retrait Eclipse sur Ie retrait endogene exteme en ml par 100 grammes de ciment hydrate... 115

Figure 6.28 : Surfaces de reponse des retraits endogenes, exprimes en mVlOOg de ciment hydrate, en fonction du rapport E/L, de la teneur en FS et du dosage en Eclipse.. 121

a) Retrait endogene inteme b) Retrait endogene exteme

c) Retrait endogene exteme avant prise d) Retrait endogene exteme apres prise

e) Retrait endogene total

LISTE DES TABLEAUX

page

TABLEAU 1.1 : Valeurs de Fhygrometrie relative et de la depression capillaire pour

differents rayons des pores capillaires. ...4

TABLEAU 2.1 : Appellation des types de ciment... 21

TABLEAU 5.1 : Composition chimique du ciment Lafarge de Type 10... 39

TABLEAU 5.2 : Composition chimique des ciments Saint Laurent type 10 et type 10SF... 40

TABLEAU 5.3 : Composition chimique de la fumee de silice. ... 41

TABLEAU 5.4 : Composition chimique de la cendre volante...41

TABLEAU 5.5 : Composition et appellation des melanges pour la premiere etape...45

TABLEAU 5.6 : Composition et appellation des melanges pour la seconde etape... 46

TABLEAU 5.7 : Mini slump des melanges a 10 et 30 min... .r...46

TABLEAU 6.1 : Moyennes des resultats a 7 jours des essais de la premiere etape du programme experimental...77

TABLEAU 6.2 : Moyennes des resultats a 7 jours des essais de la seconde etape du programme experimental...78

TABLEAU 6.3 : Analyse de variance pour les reponses de la premiere etape de F experimentation...90

TABLEAU 6.4 : Analyse de variance pour Ie retrait endogene exteme de la seconde etape de 1'experimentation... 94

TABLEAU 6.5 : Determination des facteurs importants pour Ie modele de regression... 95

TABLEAU 6.6 : Retraits endogenes a 7 jours en pourcentage volumique pour Ie mortier... 101

TABLEAU 6.7 : Comparaison des resultats de retrait endogene a 7 jours de la presente recherche avec ceux de la litterature... 105

TABLEAU 6.8 : Degres d'hydratation des coulis a 7 jours. ... 106

TABLEAU 6.9 : Degres d'hydratation corriges des coulis a 7 jours... 108

TABLEAU 6.10 : Degres d'hydratation corriges des coulis a 7 jours... 109

TABLEAU 6.11 : Moyennes des changements de volume intrinseques pour les essais de la premiere etape du programme experimental... Ill TABLEAU 6.12 : Moyennes des changements de volume intrinseques pour les essais de la seconde etape du programme experimental... 111

TABLEAU 6.13 : Analyse de variance pour les resultats des retraits en mVlOOg de ciment hydrate pour la premiere etape de 1'experimentation...117

TABLEAU 6.14 : Analyse de variance pour Ie retrait endogene exteme de la seconde

etape de F experimentation... 118

1. LES DIFFERENTS TYPES DE RETRAITS

Une fois coule. Ie beton subit plusieurs types de retrait dont 1'importance varie en fonction du temps et des conditions d'utilisation. Avant d'aller plus loin, et afm de clarifier les choses, il est necessaire de decrire tous ces retraits avec leurs caracteristi'ques et leurs conditions

d'occurrence.

1.1 Retrait plastique

Ce retrait a lieu avant la prise du ciment, a un moment ou la pate est encore deformable. II se produit lorsque Ie flux d'eau evaporee au niveau de la surface est superieur au flux d'eau ressuee, ceci, surtout au moment de la pre-prise ou 1'on observe une nette diminution du ressuage exteme. Le retrait plastique se caracterise alors par une diminution du volume qui peut conduire a une fissuration, d'autant plus qu'avant la prise, Ie beton n'a pas encore developpe une grande resistance a la traction. Les fissures de retrait plastique sont peu profondes. Le phenomene de retrait plastique peut aussi se produire par succion, lorsque Ie beton frais est coule au contact d'un

sol ou d'un beton sec.

Le retrait plastique se produit durant les toutes premieres heures apres la mise en place du beton, alors que la phase liquide est encore connexe et que la prise n'est pas totalement faite. Sa duree est d^autant plus courte que 1'autodessiccation est rapide, parce que 1'hydratation cree des produits solides qui augmentent la consistance de la pate et diminuent la connectivite de la phase

liquide.

1.2 Retrait de dessiccation

Le retrait de dessiccation est lie au depart de Feau du beton par evaporation. Cette eau etant liee a la phase solide, son depart cause un desequilibre dans Ie beton qui se traduit alors par un retrait. X^omme Ie montre la figure 1.1, il existe 3 types d'eau dans une pate de ciment hydratee : 1'eau des pores capillaires, 1'eau adsorbee sur les surfaces et 1'eau interfeuillet. Selon la nature de 41eau- evaporee, un mecanisme specifique va engendrer un retrait de dessiccation plus

ou mains important dans Ie beton. II est done necessaire de comprendre ces mecanismes qui sont respectivement: la depression capillaire, la variation de la tension superficielle et la variation de la pression de disjonction. Pore sph6rique Pore intracristallite. (a) Passage Legende (c) Eau interfeuillet

Eau adsorb6e sur les surfaces Pore capitlaire

Feuillets de C-S-H Particules de C-S-H

Figure U : Representation schematique des differents types d'eau dans une pate de ciment

[Baroghel-Bouny, 1994]

a. Modele de Powers et Bnmauer [1968]

b. Modele de Feldman et Sereda [ 1968]

c. Modele de Wittman [1976]

1.2.1 Depression capillaire

Le mecanisme de retrait par depression capillaire est Ie premier qui ait ete etudie et est done Ie mieux etabli aujourd'hui. II repose sur Ie fait que 1'eau dans les capillaires est en equilibre avec sa phase gazeuse, pour cela, deux conditions doivent etre respectees [Baron, 1982 et Hua et

Condition de non-evaporation de 1'eau qui obeit a la loi de Kelvin

(pc -pa) -^•Inh

Mv

pc: pression de 1'eau capillaire (MPa)

pa: pression atmospherique (MPa)

R : constante des gaz parfaits (R = 8,3144 J/mole/°K)

T : temperature absolue de 1'eau capillaire (°K) M : masse d'une mole d'eau (g/mole)

v : volume massique de 1'eau (1/g)

h : hygrometrie relative dans Ie pore capillaire

Condition de non-ecoulement de 1'eau qui obeit a la premiere loi de Laplace

(pc -pa)= ——• cos a

o : tension superficielle de 1'interface eau/air (MPa) r : rayon d'un pore capillaire ou Ie menisque existe (m)

a : angle de mouillage (deg)

phase gazeuse (Pg)

^r

m

(R)

Figure 1.2 : Schematisation d'un menisque dans un capillaire [Baroghel-Bouny, 1994] Dans un beton durci ayant subi une dessiccation. Ie volume d'eau libre diminue par rapport au^vjolume total des pores capillaires a cause de Fevaporation. L'eau qui est consommee

en premier est celle qui se trouve dans les grands pores (voir figure 1.3), car c'est elle qui est la plus facile a puiser. Ainsi, a un instant donne de 1'hydratation, tout Ie volume d'eau capillaire se retrouve dans les pores capillaires de diametre inferieur a ro. En utilisant 1'equation de Laplace qui reprend la condition de non-ecoulement de 1'eau, on arrive a calculer la depression dans la phase liquide, ce qui pennet par 1'intermediaire de 1'equation de Kelvin", qui resume la condition de non-evaporation de Feau, de calculer 1'humidite relative dans Ie beton. Le tableau 1.1 reprend les valeurs d'equilibre de 1'hygrometrie relative et de la depression pour differents rayons des pores capillaires.

TABLEAU 1.1 : Valeurs de 1'hygrometrie relative et de la depression capillaire pour differents

rayons des pores capillaires [Baron, 1982]

r (nm)

h (%)

pa-pc (MPa)

50

98

3

25

95

6

10

90

15

5

80

31

Cette depression de 1'eau des capillaires est globalement equilibree par une compression dans la phase solide de la pate de ciment, c'est ce qui engendre Ie retrait. Cependant, il faut mettre des limites a cette theorie qui n'est pas completement exacte puisque 1'on pose comme hypothese que Feau dans les capillaires fonne une phase, a savoir qu'elle est homogene, que sa vitesse est nulle en tout point et qu'elle n'est soumise a aucune force exterieure a distance, ce qui n'est pas vrai. N'empeche que cette theorie peut ser^ir d'approche pour comprendre ce qui se

passe dans-la realite.

1.2.2 Variation de la tension superficielle des uarticules colloi'dales

Au voisinage d'une surface solide, il se produit de petites variations de distances interatomiques ou intermoleculaires. Ceci entraine une dissymetrie des forces d'attraction que subissent les atomes ou molecules avoisinants, induisant ainsi des forces de tension tangentes a cette surface [Baron, 1982 et Hua et al, 1995]. Dans Ie cas de la pate de ciment hydrate, 1'adsorption de molecules d'eau sur une surface solide provoque une relaxation de cette tension. Par centre la desorption engendre une augmentation de la tension superficielle et Ie solide se

1- eau

4- bulle d'air

2- clinker 3- gypse 5- grain de sable 6- hydrates C-S-H

l----.-.-.-5Hm---|

Figure 1.3a : t = 1 heure

Les grains de clinker (2) commencent a s'hydrater en formant des C-S-H (6). Les ions sulfates

provenant de la dissolution du gypse (3) diffusent dans 1'eau de gachage (1).

Cristaux d'ettringite Figure 1.3b : t = 2 heures

Figure 1.3c: t = 5 heures

Les couches de C-S-H a la surface des grains de clinker ainsi que les cristaux de portlandite et d'ettringite commencent a s'interpenetrer. Le materiau se rigidifie : c'est Ie debut de la prise.

Figure 1.3d : t = 9 heures

Figure 1.3e : t = 28 jours

L'hydratation aboutit a 1'autodessiccation. Les pores capillaires se vident peu a peu.

Figure 1.3 : Evolution de la microstmcture dans un mortier au cours de 1'hydratation

que la pate de ciment hydratee possede une grande surface specifique, ce phenomene s'en trouve accentue dans Ie cas du beton.

Cependant, il faut specifier que ce mecanisme de retrait n'est apparent que pour de basses valeurs de 1'humidite relative, car la tension superficielle ne varie pas enomiement avec 1'adsorption de la T et de la 3e couche. Ainsi, on remarque que lorsque 1'humidite relative varie en restant elevee, la tension superficielle reste pratiquement constante.

1.2.3 Variation de la pression de disionction

Dans Ie cas de la pate de ciment (figure 1.1), il existe dans les amas d'hydrates des surfaces solides tres proches (< 5 mn) entre lesquelles regnent des forces importantes comme :

• les forces de Van der Waals,

• les forces electriques entre les couches ioniques adsorbees

• les forces liees a 1'encombrement des molecules et des^ ions adsorbes (interactions steriques) et a la stmcturation de 1'eau interstitielle.

Des lors, on se retrouve avec un modele ayant deux interfaces liquide/solide qui vont elles memes se retrouver en interaction, compliquant d'autant plus Ie modele.

Pour simplifier Ie modele, on peut dire que lorsque Fhumidite relative est importante, une couche d'eau adsorbee se glisse entre les deux surfaces solides et tend a les separer, c'est ce que

1'on appelle : la pression de disjonction [Baron, 1982 et Hua et al, 1995]. Si Fhumidite relative

diminue de fa9on assez sensible, cette couche d'eau adsorbee va s'evaporer et les deux surfaces solides vont alors se rapprocher creant un retrait macroscopique.

Des mesures effectuees par Ferraris [1986] montrent que la pression de disjonction reste constante si Fhumidite relative varie entre 80 et 100%, elle ne commence a diminuer que lorsque 1'hygrometrie relative est vraiment faible.

1.3 Retrait thermique

Lors de la reaction d'hydratation, on observe un degagement de chaleur qui augmente sensiblement la temperature du beton. Cette elevation de temperature provoque une dilatation pendant que Ie beton est encore deformable, et ce, des Ie debuFUe la prise. Lorsque Ie refroidissement debute. Ie beton se contracte, or la prise ayant ete deja faite, la rigidite du beton limite les deformations et des contraintes de traction commencent a se developper a cause des gradients thermiques au sein de 1'ouvrage betonne. Le retrait observe n'est ni uniforme, ni isotrope et il peut entrainer des fissurations lorsque les contraintes de traction depassent la contrainte limite de traction [Acker, 1992 et Ai'tcin, 1996].

L'elevation de temperature (figure 1.4) engendree par la reaction d'hydratation dans les pieces coulees est d'autant plus importante que leur taille est importante, car d'une part, la dissipation d'energie se fait moins bien a cause de la grande distance a la surface et d'autre part, 1'augmentation de la temperature entraine une acceleration de 1'hydratation par thermoactivation, ce qui stimule la vitesse de production de chaleur. C'est ce que 1'on appelle : effet d'echelle. On considere que pour les pieces dont 1'epaisseur est inferieure a 300 mm , Ie risque de fissuration par retrait est maitrise. Pour les epaisseurs comprises entre 300 et 800 mm, Ie risque est a etudier. La fissuration est pratiquement certaine lorsque 1'epaisseur depasse 800 mm [Acker, 1992]. Le risque de fissuration thermique est accm lorsque la contraction thermique d'une piece de beton est genee ou empechee, mais 11 est aussi diminue par Ie fluage que subit Ie beton, qui est eleve a jeune age.

Tmax

T 4

v

y

Figure 1.4 : Augmentation de la temperature du beton au cours de 1'hydratation

[Aitcinetal, 1996]

Le retrait thermique dans Ie beton peut etre a 1'origine de deux types de

fissurations [Acker, 1992 etAcker, 1995]:

• fissuration de peau : elle est due au gradient de temperature entre Ie centre de la piece betonnee et la surface de celle-ci. Cette fissuration est rarement ouverte et n'est pas dangereuse pour la perennite des ouvrages, car meme si Ie gradient de temperature est tres important en surface, il diminue tres rapidement en profondeur. Le probleme de corrosion des armatures peut cependant se poser.

• fissuration de bloc : elle est observee au niveau des reprises de betonnage et des -encastrements. Elle est due au retrait empeche lors du.refroidissement global de P element. Cette fissuration est plus a craindre quant a la durabilite des ouvrages. Elle doit done etre etudiee avec soin.

Souvent, 1'utilisation de coffrages isoles ou de joints de dilatation s'avere un moyen efficace pour empecher que Ie retrait thermique n'entraine des fissurations.

1.4 Retrait de carbonatation

1'eau conformement a la reaction suivante :

Ca(OH)2+C02 -> CaCOs+HzO

L'evaporation de 1'eau liberee par la reaction de carbonatation cause alors du retrait. II y a aussi du retrait chimique qui se produit.

La carbonatation agit surtout en surface a cause de la grande concentration en gaz carbonique. Ainsi, pour les betons ordinaires, on remarque que ce sont juste les premiers centimetres qui font Pobjet de cette reaction, meme apres plusieurs annees. Lorsque Ie beton est sature, la reaction de carbonatation est beaucoup plus lente, car la diffusivite du C02 dans 1'eau est a peu pres 10 000 fois inferieure a celle dans 1'air. Bjorv [1989] a montre que la carbonatation varie avec Fhumidite du beton et que Ie degre d'humidite relative optimal se trouve aux alentours de 50%. La diffusivite peut aussi etre influencee par la presence de flssures. Baron [1982] a fait remarquer que Ie retrait de carbonatation est proportionnel au retrait de dessiccation.

1.5 Retrait endogene

Meme lorsque Ie beton est scelle, tout echange hydrique avec 1'exterieur lui etant interdit, et qu'il murit a temperature constante, celui-ci subit un retrait. C'est Ie retrait endogene qui peut avoir deux engines : une origine chimique et une origine physique.

1.5.1 Retrait endoeene d'orisine chimiaue

Ce phenomene a ete explique par Le Chatelier [1900] qui a montre que 1'hydratation du

ciment s'accompagnait d'une diminution de volume. Pour cela, il a utilise des reservoirs munis d'un tube capillaire et il y a introduit de la pate de ciment avec une composition differente pour chaque reservoir. Celui-ci etant alors rempli avec de 1'eau pure jusqu'a mi-hauteur puis bouche afm d'eviter toute evaporation (voir figure 1.5, Fessai est visualise avec des tubes). La mesure de la denivellation progressive de la colonne d'eau a permis a Le Chatelier de prouver que Ie bilan volumique'de Fhydratation du ciment est negatif, et ce, malgre Ie fait que Ie volume apparent de la pate de ciment peut augmenter. C'est ainsi qu'il a pu faire la distinction entre « volume

Cependant, il etait conscient du fait que les valeurs obtenues dans cette experience ne representaient pas la proportion reelle de diminution de volume de la pate de ciment hydrate, parce que d'une part 1'hydratation a commence avant la mise en tube et d'autre part, 1'hydratation du ciment n'est pas complete. C'est pour cela qu'il a decide d'aborder Ie probleme d'une fa9on differente, plus exacte, en considerant les densites des corps anhydres initiaux et des corps hydrates obtenus. Hll in additional water

•I

cement paste measuring

decrease of water surface of paste (3) Decrease of water and volume of cement paste addition ^ of water

M

_IIUi'i

Figure 1.5 : Mesure du retrait endogene d'origine chimique dans une pate de ciment

[Tazawa et al, 1995]

Pour estimer Ie volume de vide forme par 1'hydratation d'une pate de ciment, on peut considerer 1'evolution d'un systeme scelle fonne d'eau et de ciment au cours du temps. Les calculs suivants ont ete inities par Powers [1948].

A 1'instant initial t = to, on met en contact Ie ciment et 1'eau, Ie volume du melange est

Vo, on ne considere pas 1'air occlu.

Vo = Ve + Vc (1.1)

Ve : Volume d'eau initial Vc : Volume de ciment initial

A F instant t > to, Ie bilan volumique est :

Vo = Vg + Vca + Vec + Vp (1.2)

Vg : Volume des hydrates fonnes Vca: Volume du ciment anhydre Vec: Volume de Feau capillaire

Vp : Volume des vides capillaires engendres par la contraction Le Chatelier

Les hydrates se composent de produits solides d'hydratation et d'eau adsorbee physiquement dans les pores de gel. Cette demiere constitue la porosite des hydrates et represente 28% du volume total des hydrates, d'ou :

Vg=Vgs+Vge (1.3)

Vgs : Volume des produits solides d'hydratation

Vge : Volume des pores de gel

Vge= 0,28 Vg= 0,28 (Vgs+Vge)= 0,39 Vgs , (1.4)

En rempla9ant (1.3) et (1.4) dans (1.2), on obtient:

Vo = 1,39 Vgs + Vca + Vec + Vp (1.5)

On trouve experimentalement que 1'hydratation complete de 1 cm3 de ciment anhydre foumit approximativement 2,13 cm3 d'hydrates, dependement de la composition du ciment [Baroghel-Bouny, 1994]. L'equation de conservation de la quantite de ciment s'ecrit done :

Vc = Vca + Vg/2,13 = Vca + (1,39/2,13) Vgs (1.6)

Le volume d'eau initial se decompose en une eau capillaire, une eau situee dans les pores de gel et une eau liee chimiquement aux hydrates. On trouve experimentalement que la quantite d'eau liee chimiquement est de 1'ordre de 23% de la masse de ciment hydrate (la densite du ciment anhydre etant de 3,14). L'equation de conservation de la quantite d'eau s'ecrit done :

Ve = Vec + Vge + 0,23*3,14 (Vc - Vca)

La resolution du systeme d'equations (1.1), (1.5), (1.6) et (1.7) permet de calculer Ie volume des vides capillaires engendres par la contraction Le Chatelier.

Vp = 0,12 Vgs = 0,087 Vg

La contraction Le Chatelier est done de I'ordre de 9% du volume des~hydrates formes.

Pour un coulis en systeme scelle ayant un rapport stoechiometrique Eau/Ciment = 0,42, la figure 1.6 represente les volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vides a 0%, 50% et 100% d'hydratation. Eau

42g

lOOg

71g

50g

^

2

0%

50%

100 %

Figure 1.6 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et100% d'hydratation pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,42

On peut verifier que Ie volume de vide forme (6 ml) represente 9% du volume des hydrates formes (67,8 ml).

Pour un coulis en systeme scelle ayant un rapport Eau/Ciment = 0,30, la figure 1.7 represente les volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vides a 0%, 50% et a hydratation

Vide

3ml

I

0%

50%

71%

Figure 1.7 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et a hydratation complete pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,3

On peut verifier que Ie volume de vide fonne (4,3 ml) represente 9% du volume des hydrates formes (48,4 ml).

Pour un coulis en systeme scelle ayant un rapport Eau/Ciment = 0,70, la figure 1.8 represente les volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vides a 0%, 50% et 100% d'hydratation.

Vide

3ml

2

0%

_50%

100 %

Figure 1.8 : Variation des volumes de ciment, d'eau, d'hydrates et de vide a 0%, 50% et100% d'hydratation pour une pate de ciment de rapport E/C = 0,70

On peut verifier, a nouveau, que Ie volume de vide forme (6 ml) represente 9% du volume des hydrates tonnes (67,8 ml).

La contraction Le Chatelier, qui correspond au volume de vide fonne, n'est done nullement liee au rapport E/L, a la quantite d'eau ou a la quantite de ciment initiale. Elle depend uniquement, et de fa9on proportionnelle, de la quantite d'hydrates formes. Cependant, on remarque que Ie rapport «contraction Le Chatelier» sur «volume fbtal» de la pate varie en fonction du rapport E/C.

Cette diminution totale du volume de la pate de ciment n'est toutefois pas representative de la variation du volume exteme apparent. En effet, comme 1'a constate Le Chatelier, la variation du volume exteme apparent peut parfois donner un gonflement. Cette difference provient de la creation de vide dans les pores capillaires a 1'interieur meme du volume de la pate de ciment.

Avant d'aller plus loin, il est necessaire de preciser qu'il existe deux conditions d'hydratation du ciment: en systeme scelle ou en systeme immerge dans 1'eau. Dans Ie second systeme, la formation des vides qui pourrait etre engendree par la contraction Le Chatelier est empechee par un apport constant d'eau de 1'exterieur vers les pores capillaires, ce qui compense la diminution de volume due a 1'hydratation, voire meme, permet 1'augmentation du volume de la pate de ciment. Toutefois, ce mecanisme est limite dans Ie temps car avec 1'hydratation, la permeabilite de la pate diminue et 1'arrivee de 1'eau de Fexterieur vers 1'interieur se fait moins

bien.

1.5.2 Retrait endoeene d'origine uhvsiaue

Lorsque, en milieu scelle, la prise commence a se faire, progressivement. Ie coulis de ciment perd de sa deformabilite, un squelette mineral rigide se cree empechant les deformations. Ainsi, graduellement, la diminution de volume par contraction Le Chatelier ne va plus se repercuter par un changement de volume exteme, mais va se faire a 1'interieur meme de la pate de ciment,~par la creation de volumes de vide gazeux dans les pores capillaires initialement remplis d'eau (voir figure 1.3). Le volume total de ces vides gazeux est appele : retrait endogene

-Ces vides gazeux sont en equilibre avec 1'eau capillaire par 1'intermediaire d'interfaces gaz/liquide formant des menisques. Cet equilibre est decrit par les lois de Kelvin et de Laplace qui montrent que la phase liquide se trouve en depression (voir paragraphe 1.2.1) (On observe ainsi Ie meme phenomene que celui qui a lieu lors du retrait par se'chage). Plus 1'hydratation avance, plus les vides gazeux grandissent, plus les menisques se courbent et plus la depression capillaire augmente. Ceci a aussi pour effet de diminuer 1'humidite relative dans les pores capillaires. Ce phenomene est appele : autodessiccation. L'autodessiccationpeut aussi etre causee par la migration de Feau zeolithique et de 1'eau adsorbee vers des grains de ciment anhydre qui ont une tres grande affinite d'eau, d'ou une pression de disjonction.

Cette depression dans la phase liquide engendree par la contraction Le Chatelier apres la prise est globalement compensee par une compression dans la phase solide de la pate, ce qui entraine une diminution du volume exteme. Ainsi, 1'on voit qu'au retrait endogene d'origine chimique directement relie a la reaction d'hydratation, se rajoute un retrait endogene exteme d'origine physique, du au phenomene d'autodessiccation dans la pate de ciment. Ce retrait endogene d'origine physique se manifeste surtout lorsque Ie rapport E/C est faible et est peu important lorsqu'il est eleve. Ceci provient du fait que lorsque la quantite d'eau est faible, les pores capillaires crees dans la pate de ciment hydrate sont tres petits et la depression capillaire exercee est grande (voir tableau 1.1). Ceci engendre une plus grande compression dans la phase solide et paf consequent un plus grand retrait (d'origine physique).

Ainsi, Ie retrait total dans un coulis de ciment se decompose, avant la prise, en un retrait endogene exteme provenant directement de la conta'action Le Chatelier. Et, apres la prise, en un retrait endogene exteme du a 1'effet physique de la depression capillaire, auquel se rajoute un retrait endogene inteme (formation de vides gazeux).

II est a noter qu'en utilisant un murissement a 1'eau, les vides capillaires crees se remplissenf d'eau provenant de 1'exterieur, et il n'y a pas alors, de retrait endogene d'origine physique car les menisques ne se creent pas. Ceci, bien sur, dans la limite de la permeabilite du beton a la-migration de 1'eau de 1'exterieur vers les pores capillaires.

2. FACTEURS INFLUEN(;ANT LE RETRAIT ENDOGENE EXTERNE

La presente partie se propose de mettre en valeur certains des principaux facteurs pouvant influencer Ie retrait endogene exteme de la pate de ciment.

2.1 Rapport E/C

La diminution du rapport E/C augmente enormement Ie retrait endogene exteme (figure 2.1), de plus, Ie retrait debute plus tot. Ainsi, pour un coulis de rapport E/C=0,17, la valeur du retrait endogene est de 4000x10" |j,m/m apres 14 jours, ce qui tres important. Ce resultat montre bien Ie probleme rencontre avec les betons a hautes performances qui ont une teneur en eau initiale tres faible. Cette grande augmentation du retrait endogene exteme est due au fait que la quantite d'eau etant faible, les pores capillaires qui se fomient dans Ie beton sont tres petits. La depression qui est alors engendree dans la phase liquide des capillaires au cours de Fhydratation est tres elevee et commence a etre ressentie plus tot.

1000 v 1000 Q S 2000 3000 4000

11

Figure 2.1 : Influence du rapport E/C sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis

[Tazawaetal, 1995]

Nomenclahire : N17-10-2.0 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

2.2 Type de ciment

Sur la figure 2.2, on voit que Ie ciment a haute resistance initiale (Type 30 ou H) et Ie ciment ahunineux (type A) engendrent tres tot un grand retrait endogene exteme qui continue a augmenter avec Ie temps. Ceci est du au fait que ces deux types de ciment contiennent beaucoup de CsS et de C3A qui reagissent tres vite produisant un grand degagement de chaleur qui entrame la formation rapide d'hydrates qui causent Ie retrait endogene.

Le ciment a chaleur d'hydratation moderee (Type 40 ou M) et a basse chaleur d'hydratation (Type L) entrainent des retraits endogenes extemes limites a cause de leur faible

Le ciment a base de laitiers de hauts foumeaux (type B) engendre un faible retrait endogene exteme initial qui augmente enormement avec 1'age.

2 47 2t 28 70 100 300 1000

TABLEAU 2.1 : Appellation des types de ciment [Tazawa et al,1993]

Type

N

M

H

s

G

0

A

w

B

L

Blaine m2/kg

352

299

425

330

350

312

442

370

351

330

Appellation

ciment resistant aux sulfates ciment geothermique

ciment petrolier ciment alumineux

ciment blanc

ciment a scories de hauts foumeaux ciment a faible chaleur

2.3 Composition minerale du ciment

Tazawa et Miyazawa [1995] out etabli une formule permettant de calculer Ie retrait endogene exteme d'un coulis a partir de la composition du ciment en ses 4 phases : CsS, €28, CsA et C4AF. Cette formule a decoule de 1'analyse experimentale de plusieurs eprouvettes de beton ayant des compositions chimiques differentes (figure 2.3). L'origine de la mesure etant a 1 jour, Ie retrait endogene a differents ages est donne par :

8ra(t) = -0.0120CC3S(t)*(% C3S) - 0.070aQs(t)*(% CzS) + 2.256ac3A(t)*(% CsA)

+ 0.859ac4AF(t)*(% C4AF)

8ra(t) : retrait endogene a 1'age t d'un coulis.

OCc3s(t) : degre d'hydratation du CsS.

Les coefficients multiplicateurs du CsA et du C4AF sont tres superieurs a ceux de CsS et de €28, ce qui montre que Ie retrait endogene exteme est tres influence par la teneur en produits alumineux qui entrament beaucoup de retrait, ce qui n'est pas en contradiction avec les resultats

precedents.

1000 _OriAge

at

:7. 14.28.70days

inal length was

!'( hours

^

^

0

^

/f

^ X

Calculated autogenous shrinkaRe(xIO~6)

Figure 2.3 :-Comparaison entre les retraits endogenes extemes : calcule par la formule et mesure

: [Tazawaetal, 1995]

2.4 Finesse du ciment

L'augmentation de la finesse du ciment engendre une augmentation du reta-ait endogene exteme dans Fechantillon scelle de pate de ciment. Ce retrait debute aussi plus tot (figure 2.4). En effet, une grande finesse des grains de ciment pennet a la reaction d'hydratation de se faire plus rapidement, debutant plus vite Ie retrait. De plus, la chaleur est liberee de fa^on plus intense, ce qui provoque une augmentation de la temperature et une thermo activation du processus d'hydratation causant ainsi un grand retrait thermique.

1000 1000 2000 N30-00 Age (day) 0,1 0.2 0.5 1 2 4 7 10 21 28 42 70 100 (ill II cy-A^ii (^-(A ibuj tin —i—| iiniii —|—11111

Blaine fineness of cement (cm2/g) A 3390 a 5570 ^ 6230 V 7430

•^

Figure 2.4 : Influence de la finesse du ciment sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis

[Tazawaetal, 1995]

2.5 Aj cuts mineraux

La substitution de ciment de Type 10 par des laitiers de hauts foumeaux entrame une augmentation du retrait endogene exteme, ce phenomene etant accentue par la proportion de substitution du ciment (figure 2.5). Les laitiers ayant une surface Blaine plus elevee (568 m2/kg)

que celle du ciment (350 m2/kg), ils ont done une taille plus faible ce qui permet d'avoir des

pores capillaires plus petits, done des depressions capillaires plus importantes et un retrait plus

eleve.

La substitution du ciment par de la fumee de silice engendre, elle aussi, une augmentation du retrait endogene exteme, et ce, pour les memes raisons que celles invoquees pour les laitiers des hauts foumeaux qui est Ie raffmement des pores capillaires (figure 2.6).

L'incorporation d'ajoutsexpansifs peut plus ou moins diminuer Ie retrait endogene exteme comme indique dans la figure 2.7, voire meme Ie changer en dilatation. Pour les 4 aj cuts, on observe une expansion qui est causee par la formation d'ettringite, celle-ci etant ensuite reduite avec Ie temps a cause de la transformation de Fettringite en monosulfoaluminate.

La substitution du ciment par de la poudre hydrophobe (water repellent-treated cement) permet de diminuer Ie retrait endogene, surtout pour Ie produit a base de silice (figure 2.8). Un seuil est observe pour une proportion de remplacement de 10%. Get effet est attribue au fait que cette poudre en augmentant 1'angle de contact entre la phase solide et 1'eau capillaire diminue la courbure du menisque, ce qui reduit la depression capillaire.

1000 2000 3000 Age (day) 4 7 . . 10 21 28 42 70 100 W-(C+8)-8/(C+8)(%) 0 N40.0 A N40.25 a N40.50 X N4070 V N40.90 Blaine fineness Of S lag 5680cmi/s 1 T f imf

Figure 2.5 : Influence des laitiers de hauts foumeaux sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis

[Tazawaetal, 1995]

~ Nomenclature : N40-25 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par des laitiers de hauts foumeaux)

2000 0 N4000 AN40-100 a N40-200 X N23-200.6 ZOOOh

Figure 2.6 : Influence de la fumee de silice sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis [Tazawa et al, 1995]

Nomenclature : N23-20-0.6 (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

N3000 N30-100 El N30.100 E2 N30.100 E3 N301&0 E4 -500}--1000 I--1500

Figure 2.7 : Influence des ajouts expansifs sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis

[Tazawaetal, 1995]

Nomenclature : N30-10-0 El (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

(type d'ajout expansif)

^ 500 ^ », 1000 I-1500 21 28 42 Age (day) 70 100 1 2 7 10 21 28 42 70 100 ON4CW) QN40-50 A N40.100 V N40.300 0 N4000 a N40-5-0 AN40-1&0 V N40-300

talcr repellenl-trcalcd •cta-kaolinc talcr repellcnt-treated silica powder

Figure 2.8 : Influence cTune poudre hydrophobe (water repellent-treated silica powder) sur Ie retrait endogene exteme d'un coulis [Tazawa et al, 1995]

Nomenclature : N40-5-0 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du ciment par la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

2.6 Ajouts chimiques

L'utilisation de 5 types de superplastifiants montre que ceux-ci ne diminuent que faiblement Ie retrait endogene exteme dans Ie beton. L'effet du'dosage est aussi minime (figure 2.9). Cet effet vient probablement de 1'effet mineur des superplastifiants sur Ie degre d'hydratation. Toutefois, on peut dire que lorsque dans certains cas Ie rapport E/L est tres faible, Faugmentation du dosage en SP pennet 1'amelioration de la dispersion du ciment avec un raffinement des pores et une hydratation plus rapide d'ou une augmentation du retrait endogene

exteme.

Les reducteurs de retrait de dessiccation sont aussi efficaces pour Ie retrait endogene exteme (figure 2.10). Ces adjuvants n'ont aucun effet sur la contraction Le Chatelier, ils pemiettent juste de diminuer la tension surfacique de 1'eau. Ceci a alors pour effet de diminuer la

depression capillaire dans la phase liquide de la pate de ciment hydrate et ainsi de diminuer la

composante d'origine physique du retrait endogene exteme (voir § 1.5.2). Des mesures experimentales ont permis d'etablir que Ie pourcentage de diminution du retrait endogene exteme correspond presque a celui de la tension de surface induit par ces ajouts.

Age (day) 7 10 28 42 70 100 500 (-o 1000 h 1500

^

(^

^

^

Figure 2.9 : Influence des superplastifiants

[Tazawa et al, 1995]

Nomenclature: ?0-0-0.4 SP1 (type de ciment: voir tableau 2.1) (rapport E/C-en pourcentage)-(Pourcentage de substitution du

ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

(type de superplastifiant) 500 -1000 4x1X16cm • N3000 0 N3002 01 0 N300202 a «i . .n> 100 a» I T I I I HIT

"-^

Figure 2.10 : Influence des reducteurs de retrait de dessiccation

[Tazawaetal, 1995]

Nomenclature : N30-0-2 D 1 (type de ciment: voir tableau 2.1)(rapport E/C en

pourcentage)-(Pourcentage de substitition du ciment par de la fumee de silice)-(dosage en superplastifiant)

3. METHODES DE MESURE DU RETRAIT CHIMIQUE

Des 1900, Le Chatelier publiait un article ou il montrait que leS'ciments au cours de leur hydratation produisent une contraction qu'il a essay ee de quantifier par Ie calcul et par des essais experimentaux. Pour cela, il a utilise des especes de grands thermometres en verre dont Ie reservoir avait une capacite de 70 ml et la tige un diametre interieur de 4 mm. II y a introduit de la pate de ciment et les a remplis d'eau pure, il a ensuite mesure de temps a autre, la denivellation progressive de la colonne d'eau. Ce fut la premiere tentative de mesure du retrait endogene du ciment en cours d'hydratation rapportee par la litterature. Ce ne fut que plus tard que les chercheurs ont fait la distinction entre les differents retraits endogenes et qu'ils mirent au point des methodes de mesure plus adaptees.

3.2 Retrait endogene total

II existe deux grandes methodes pour la mesure du retrait endogene total : par dilatometrie ou par gravimetrie.

3.2.1 Dilatometrie

L'essai de mesure du retrait endogene total par dilatometrie repose sur Ie meme principe que celui utilise par Le Chatelier. II consiste a mettre de la pate de ciment dans un contenant (erlenmeyer par exemple) et a Ie remplir avec de 1'eau pure. L'evolution du niveau d'eau dans Ie tube de 1'erlenmeyer correspond a celle du retrait endogene total. Cette methode est utilisee par plusieurs chercheurs tels que : Tazawa et Miyazawa [1992] et Justnes et al [1994]. Cependant, elle comporte 2 desavantages majeurs qui sont que 1'eau qui est rajoutee s'infiltre dans la pate de ciment et reagit avec elle. Ainsi, Ie retrait mesure n'est plus representatif du melange initialement prepare. D''autre part, en murissant, 1'echantillon devient plus impermeable creant des zones ou 1'eau ne peut acceder, sous estimant ainsi Ie retrait endogene total.

Pjpette(5mj)

^//////////////z

F-- Rubber stopper

Erlenmeyer

flask (300ml)

.Cement paste

Figure 3.1 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene total par dilatometrie

[Tazawaetal, 1992]

3.2.2 Gravimetrie

Cette methode repose sur la mesure indirecte du changement de volume par 1'evaluation de la variation du poids d'un erlenmeyer contenant de la pate de ciment et place sous 1'eau. En effet, lors de 1'hydratation, alors que Ie volume exteme de 1'erlenmeyer ne varie pas, sa masse augmente (la baisse de volume de la pate hydratee est compensee par une arrivee d'eau dans 1'erlenmey-er). I/evolution de son poids sous 1'eau pemiet alors d'evaluer Ie retrait endogene total [Boivin et al, 1998] et [Radocea, 1997]. Cependant, cette methode comporte les memes desavantages que la precedente, qui sont que 1'eau qui est rajoutee s'infiltre dans la pate de ciment et reagit avec elle. Ainsi, Ie retrait mesure n'est plus representatif du melange initialement prepare. D'autre part, en murissant, 1'echantillon devient plus impermeable creant des zones ou 1'eau ne peut acceder, sous estimant ainsi Ie retrait endogene

J J Balance r2) Water

3J Cement paste

^} Thermo- regulated bath 5) Data acquisition

Figure 3.2 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene total par gravimetrie

[Boivmetal,1998]

3.3 Retrait endogene externe

3.3.1 Dilatometrie

Get essai consiste a mesurer la variation de la longueur d'une eprouvette a 1'aide de deux plots qui y sont places [Tazawa et Miyazawa, 1992]. Le desavantage majeur de cette methode est que les mesures ne peuvent debuter qu'apres durcissement de 1'echantillon (Ie plus souvent apres 24 heures, selon les normes), ceci en sachant qu'une grande partie du retrait s'effectue durant les premieres heures. C'est Ie cas de la nonne ASTM C157 qui preconise de mesurer Ie retrait endogene exteme 24 heures apres avoir demoule et muri les eprouvettes. Si ce decalage dans Ie temps n'engendre pas une grande erreur sur la mesure du retrait endogene exteme pour des coulis ayant un rapport E/C tres eleve, il Ie sous estime enormement dans Ie cas de rapports E/C faible, car une grosse partie du retrait endogene s'effectue durant les premieres 24 heures.

Quant aux contraintes de frottement entre 1'echantillon et Ie support, elles limitent Ie deplacement qui caracterise Ie retrait. D'autre part, la microfissuration qui se fait dans 1'eprouvette n'est pas comptabilisee.

Gauge plug 160 _ _ _ A J20. i3_i cS' Gauge plug 160 _, /\ ,_40 138

^.1

v

Gauge plug Unit : mm

10x10x40an Specimen

Figure 3.3 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par dilatometrie

[Tazawa et al, 1992]

Tazawa et Miyazawa [1998] ont ameliore Ie montage precedent et ont mis au point un appareil (voir figure 3.4) permettant d'effectuer la mesure du retrait endogene exteme pendant les 24 premieres heures, et ce, a partir du temps de prise. Holt et Leivo [1998] dans leur article « autogenous shrinkage at very early ages » montrent d'autres methodes de mesure du retrait endogene exteme a tres jeune age. Mak et al [1998] dans leur article «temperature effects on early age autogenous shrinkage in high performance concretes » presentent leur appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme des la premiere heure.

mold Polystyrene board

Dial gauge Teflon sheet

Figure 3.4 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par dilatometrie pendant les 24 premieres heures [Tazawa et al, 1998]

3.3.2 Gravimetrie

La mesure du retrait endogene exteme repose sur Ie meme principe que celle du retrait endogene total. La difference reside dans Ie fait que les coulis utilises ont un rapport E/C plus faible [Justnes et al, 1994 et Radocea, 1997]. L'inconvenient de cette methode est que Ie ressuage et F air emprisonne dans la membrane en caoutchouc engendrent une erreur appreciable sur les mesures [Bull et Baron, 1979] et [Jensen et Hansen, 1995]. De plus la pression induite par Ie condom endommage la structure fragile de la pate avant la prise (voir figure 3.5).

bleeding chstic nxmtiT balanct wh(r..-._

-^

^-^

^

Figure 3.5 : Appareillage pour la mesure du retrait endogene exteme par gravimetrie

[Radocea, 1997]

3.3.3 Jensen et Hansen

En analysant les deux methodes precedentes pour la mesure du retrait endogene exteme et en essayant de combiner les avantages des deux procedes, Jensen et Hansen ont mis au point un appareil pour la mesure de la deformation de la pate de ciment Portland hydrate. Ce dilatometre consiste en deux plaques d'acier jointes de fa^on rigide par 4 barres a faible coefficient d'expansion thermique afin d'assurer une haute stabilite volumetrique du systeme. Le coulis de ciment est place dans un tuyau deformable en forme d'accordeon. Une de ses extremites est fixee a une plaque, alors que 1'autre est reliee a la seconde plaque par un transducer pennettant la mesure du changement de longueur [Jensen et Hansen, 1995].

Figure 3.6 : Dilatometre pour la mesure du retrait endogene exteme [Jensen et Hansen, 1995] a. deux echantillons a tester

4. BUT DE LA RECHERCHE ET PROGRAMME DES ESSAIS

La raison d'etre de cette recherche provient de 1'importance'grandissante que prend Ie phenomene du retrait endogene dans Ie beton. Avec 1'utilisation de plus en plus frequente de betons particuliers (betons a haute performance, betons autonivellants, .. .) qui posent de serieux problemes de retrait. Ie terme « retrait endogene » est devenu a la mode. C'est dans ce contexte que Ie present prpjet de maitrise a ete mis en oeuvre, et ce, pour deux raisons essentielles qui sont les volontes de mettre au point un systeme pemiettant de mesurer Ie retrait endogene exteme et Ie retrait endogene inteme de fa9on concomitante, des les premiers instants de 1'hydratation, ainsi que de chercher a mieux comprendre ces phenomenes, tout en les reliant a la theorie deja existante. La courbe de la figure 4.1 montre bien 1'importance de commencer a mesurer Ie retrait endogene exteme des Ie debut de 1'hydratation.

50 T

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_s^

Q

0

0

-50--100+

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Figure 4.1 : Defaillance de la norme ASTM C 15 7 pour la mesure du retorait endogene exteme

Le premier prototype de la cellule a ete developpe par M. Claude Poulin en 1994 en s'inspirant d'un appareil deja existant dans Ie domaine de la mecanique des sols. Cette cellule a ete mise au point afin d'essayer de combler certaines lacunes des methodes traditionnelles actuellement utilisees pour la mesure du retrait endogene (voir chapitre 3). Les deficiences les plus importantes de ces methodes etant 1'interaction du ciment avec^T'eau ajoutee au melange pour evaluer Ie retrait chimique total, 1'impermeabilite de la pate de ciment. Ie temps d'attente avant la premiere mesure, la sous estimation des resultats, etc. L'originalite de la technique utilisee vient du fait qu'au lieu de mesurer Ie volume de vide cree dans la pate a partir du volume d'eau absorbe, cela est fait a partir du volume d'air aspire. L'air ayant une viscosite plus faible et n'ayant pas d'interaction avec Ie ciment, son utilisation est plus interessante. Un autre interet de cette technique reside dans Ie fait qu'elle permet la mesure des retraits endogenes inteme et exteme de fa9on simultanee, et ce, des la premiere demi-heure. Ceci rend facile la comparaison des resultats avec la theorie, puisque la somme des deux retraits donne Ie retrait endogene total.

Cette cellule a pour but de pennettre la mesure des retraits endogenes sur des coulis de ciment de nature differente, permettant ainsi d'evaluer 1'effet de plusieurs facteurs, tels que :

• Ie rapport E/L,

• Ie type de ciment utilise,

• Ie taux de remplacement du ciment par de la fumee de silice, de la cendre volante, du laitier de hauts foumeaux ou des fillers calcaires,

• Tutilisation d'adjuvants comme les reducteurs de retrait, les agents colloidaux, les reducteurs d'eau ou les superplastifiants.

Apres 1'etape de la conception, des essais ont ete realises sur la cellule par Jun Chen, une etudiante en maitrise entre 1994 et 1996. Ceux-ci ont cherche a corriger les defaillances de la cellule, a ameliorer son fonctionnement et a comprendre comment interpreter les resultats obtenus. Un programme d'essai a aussi ete realise afin de cemer 1'effet de differents parametres sur les reponses de la cellule. En octobre 1996, j'ai continue cette recherche en apportant les ameliorations finales a la cellule et en lan9ant un programme d'essais visant en premier lieu a eprouver Ie bon fonctionnement de la cellule et a evaluer 1'influence de certains parametres juges

4.2 Programme d'essai

Vu que la cellule etait dans un stade preliminaire de developpement, et atm de ne pas trop alourdir Ie programme d'essai, il a ete decide de ne retenir que deux facteurs preponderants lors de F experimentation, Ie premier facteur etant Ie rapport E/L et Ie second etant Ie taux de remplacement du ciment par de la fumee de silice.

Le choix du rapport E/L provient du besoin d'evaluer 1'influence du passage de betons ordinaires a des betons de hautes performances sur 1'importance du retrait endogene. II faut bien reconnaitre que 1'importance portee au retrait endogene n'a commence a prendre de 1'ampleur qu'avec 1'utilisation de betons avec des rapports E/L tres faible! L'intervalle des rapports E/L choisis a ete fixe entre 0,45 (beton ordinaire) et 0,25 (limite minimale des coulis ayant pu etre executes tout en assurant une bonne rheologie). Cinq rapports E/L ont ete choisis : 0,25, 0,30, 0,35, 0,40 et 0,45. Ce choix devrait permettre d'observer 1'evolution des retraits endogenes inteme, exteme et total en fonction du rapport E/L, tout en rendant possible la determination d'un possible point d'inflexion ou ces retraits se mettraient a evoluer d'une fa9on plus ou moins

accentuee.

Quant au taux de remplacement du ciment par de la fumee de silice, il a ete choisi afin d'apporter une nouvelle contribution a la vaste discussion opposant les chercheurs au sujet de Fimpact de 1'incorporation de fumee de silice au ciment sur les retraits endogenes dans les betons. Pour cela, trois niveaux de remplacement ont ete choisis, a savoir : 0% (ciment temoin), 8% (representant un ciment HSF tel que vendu dans Ie commerce) et 16% (possibilite de faire des extrapolations). II faut noter que pour limiter la variabilite, il a ete decide qu'au lieu de prendre des ciments auxquels la fumee de silice est deja incorporee, il etait preferable de choisir un seul ciment de Type 10 auquel il serait ajoute la quantite de fumee de silice desiree.

Afin d'aller plus profondement dans la verification de I'efflcacite de la cellule de mesure, il a aussi ete decide d'evaluer 1'influence d'lin agent reducteur de retrait sur les retraits endogenes

de la pate de ciment. Une seconde etape dans Ie programme de recherche a alors ete etablie en planifiant un plan d'experience selon deux facteurs, a savoir :

• Ie dosage en adjuvant : 0,0, 4,0, 8,0 et 16,0 mVkg de ciment

• Ie type de ciment : Type 10 et Type 10SF

Afm d'optimiser Ie programme d'essai, de rehausser la fiabilite des interpretations effectuees et surtout de donner un cachet plus rigoureux et plus scientifique a cette recherche, une planification et une analyse statistiques des essais ont ete effectuees. Celles-ci ont ete menees a 1' aide des logiciels Stat-ease et Excel. La planification statistique pennet de donner un ordre aleatoire d'execution des essais atm de ne pas tenir compte de facteurs secondaires pouvant s'immiscer dans Ie programme experimental en faussant les resultats obtenus. Les modeles statistiques adoptes sont des modeles rectangulaires 5 par 3 pour la premiere etape et 4 par 2 pour la seconde (voir figures 4.2 et 4.3 ). Chaque essai est repete a deux reprises afin de diminuer 1'erreur commise sur chaque mesure. On obtient done respectivement 30 essais et 16 essais a effectuer. L'analyse de variance a ete effectuee en utilisant 1'ut.ilitaire d'analyse dans les fonctions macros complementaires du logiciel Excel. Le modele choisi pour 1'analyse est celui de deux facteurs avec repetition d'experience. Quant aux courbes d'isoreponse et au modele de regression, ils ont ete obtenus a 1'aide du logiciel Stat-ease.

Taux de remplacement _du ciment par de la FS

16%

8%

0%

Type de ciment 10+FS

10

Figure 4.3 : Plan d'experience de la seconde etape d'experimentation

II est a noter que pour pouvoir obtenir Ie modele de regression, des changements ont ete apportes au tableau des donnees du logiciel Stat-ease. Ceux-ci n'affectent pas les resultats de 1'analyse obtenus.

Concemant la planiflcation de la premiere etape, les differents modeles offerts par Ie logiciel Stat-ease ont ete etudies et specialement celui du plan compose dont Ie schema d'experimentation est indique a la figure 4.4. Cependant, s'il offre 1'avantage de necessiter moins d'essais, il presente un inconvenient majeur qui est que Ie point origine des axes (E/L = 0,25 et taux de remplacement = 0%) est decrit de £09011 imprecise par Ie modele de regression correspondant, alors qu'il constitue un pole strategique de cette experimentation. C'est pour cela que c'est Ie plan de la figure 4.2 qui a ete choisi.

Facteur 2 ^

Facteur 1