Corrélations entre le module d'élasticité le module de rupture, le coefficient de Poisson et la résistance en compression simple des bétons à très haute résistance (60 - 120 MPa)

Faculté des sciences appliquées

CORRELATIONS ENTRE LE MODULE D'ELASTICITE

LE MODULE DE RUPTURE, LE COEFFICIENT DE POISSON

ET LA RESISTANCE EN COMPRESSION SIMPLE DES BETONS

A TRES HAUTE RESISTANCE (60 - 120 MPa)

Mémoire de maîtrise ès sciences appliquées

Spécialité : génie civil

Sherbrooke, Québec

Canada

Yaya DIATTA

Mars 1987

OBJECTIFS

Les objectifs visés dans ce travail sont de:

i) Concevoir et fabriquer des bétons à très haute résistance, ayant une

résistance en compression simple comprise entre 60 et 120 MPa, En

effet, on dispose de très peu de données scientifiques sur les carac

téristiques des bétons à très haute résistance dans cette plage de

résistance.

ii) Echantillonner ces différents bétons pour déterminer:

1) leur résistance en compression simple (f^) à ld,*7d, 28d, 91d et

1 an;

2) leur module d'élasticité;

3) leur résistance en flexion (fp à 7d, 28d et 91 d.

iii) Essayer d'établir des corrélations entre:

1) la résistance en compression simple et le module d'élasticité;

2) la résistance en compression simple et la résistance en flexion

(module de rupture);

3) la résistance en compression simple et le coefficient de Poisson.

iv) Etudier la microstructure des bétons à très haute résistance.

Les résultats du travail présenté dans ce mémoire ont été le

fruit d'une étroite collaboration avec plusieurs personnes ressources. Il m'apparaît â cet effet très important d'exprimer ma reconnaissance â

tous ceux qui ont contribué d'une façon ou d'une autre â la réalisation de mon travail de recherche.

J'exprime tous mes remerciements particulièrement

- au Dr Pierre-Claude A'îtcin, ing., pour sa disponibilité et son soutien

sans faille,

- à l 'équipe de béton du Département de génie civil, en particulier â

Claude Poulin pour son assistance soutenue, Ë Léo Turcotte, Raymond Parisé, pour leur soutien indéfectible au laboratoire, â Georges Lalonde et à Guy Joli coeur pour leur aide lors de la réalisation des essais sur le béton durci.

J'exprime enfin des remerciements au Dr S.L. Sarkar pour son

assistance au niveau de l 'étude de la microstructure des bétons â très

haute résistance» et Ë Nicole Laverdière, pour avoir accepté de dactylo

111

TABLE DES MATIERES

OBJECTIFS DU MEMOIRE i

REMERCIEMENTS il

TABLE DES MATIERES ni

LISTE DES ILLUSTRATIONS, GRAPHIQUES ET TABLEAUX vi

INTRODUCTION 1

1. FABRICATION DES BETONS A TRES HAUTE RESISTANCE 3

1.1 Matériaux requis 3 1.1.1 Le ciment 3 1.1.2 L'eau de gâchage 4 1.1.3 Les granulats 4 1.1.3.1 Le sable 4 1.1.3.2 Le gros granulat 5 1.1.3.2.1 La résistance en compression

simple du gros granulat 5 1.1.3.2.2 Le module d'élasticité du

gros granulat 5

1.1.3.2.3 La composition minéralogique

du gros granulat 5

1.1.3.2.4 Le diamètre maximal du gros

granulat 6

1.1.3.2.5 La granulométrie du gros

granulat 6

1.1.3.2.6 La forme des grains du gros

granulat 7

1.1.4 Le superplastifiant 7

1.1.5 Les ajouts minéraux 8

1.1.6 L'air occlus 9

2. LES PROPRIETES MECANIQUES DES BETONS A TRES HAUTE RESISTANCE 10

2.1 Le module d'élasticité 11

2.2 Coefficient de Poisson 14

2.3 Module de rupture 14

3. LES MATERIAUX UTILISES LORS DES ESSAIS 16

3.1.1 Origine 16 3.1.2 Caractéristiques 16 3.1.3 Réception et entreposage 16 3.2 Le sable 16 3.2.1 Préparation 18 3.2.2 Entreposage 18 3.2.3 Caractéristiques physiques 18

3.3 Les gros granulats 18

3.3.1 Origines 18

3.3.2 Identification 21

3.3.3 Entreposage 21

3.3.4 Caractéristiques mécaniques, physiques et chimiques..21

3.4 La fumée de silice 27

3.4.1 Origine 27

3.4.2 Identification 27

3.4.3 Réception et entreposage 27

3.4.4 Caractéristiques physiques et chimiques 27

3.5 L'eau de gâchage... 29

3.6 Le superplastifiant 29

MANIPULATIONS 30

4.1 Les normes utilisées.. 30

4.2 Les gâchées d'essais 30

4.2.1 La confection du béton 31

4.2.2 Eprouvettes d'essais et leur mûrissement 32

4.2.3 Coiffage des éprouvettes. 32

4.2.4 Essais sur le béton durci 32

4.2.4.1 Détermination de la résistance en

compression simple (f^)

...32

flexion (f|.)

...33

4.2.4.3 Détermination du module d'élasticité

(Ejl.) et du coefficient de Poisson(v)

..33

PRESENTATION ET COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS 34

5.1 Propriétés des bétons frais ..34

5.1.1 Composition 34

5.2 Propriétés du béton durci 44 5.2.1 Résistance en compression simple 44

5.2.2 Module de rupture 52

5.2.3 Module d'élasticité 75

5.2.4 Coefficient de Poisson 101

5.2.5 Microstructure 102

6. COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS AVEC CEUX DE L'AMERICAN

CONCRETE INSTITUTE (ACI) 113

6.1 Module d'élasticité 113 6.2 Module de rupture 119 6.3 Coefficient de Poisson 124 CONCLUSION 126 RECOMMANDATIONS 130 APPENDICES. 131

APPENDICE A: Liste des symboles 131

APPENDICE B: Courbe de retrait du béton à très haute résistance sans

fumée de silice (rapport E/C = 0,36) fait avec le

calcaire dolomitique 132

APPENDICE C: Courbe (f' - E/C) pour le béton à très haute résistance

à 28d fait avec les deux granulats calcaires sans fumée

de silice 135

Courbe

(j)(f' pour le béton â très haute résistance

fait avec les deux gros granulats calcaires et avec de

la fumée de silice 135

LISTE DES ILLUSTRATIONS, GRAPHIQUES ET TABLEAUX

Graphique 1. Courbes granulcmêtriques des granulats 26

Graphique 2. = ijj(Vfp pour le bëton à très haute résistance

calcaire domolitique 55

Graphique 3. f^ =

pour le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

calcaire dolomitique 56

Graphique 4. f^ =

pour le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

calcaire métamorphique 57

Graphique 5. f^ =

pour le béton â très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

calcaire métamorphique 58

Graphique 6. f^ = i(j(Vf^) pour le béton à très haute résistance

gravier fluvioglaciaire 59

Graphique 7. f^ =

POur le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

gravier fluvioglaciaire 60

Graphique 8. f^ = '//(Vf^) pour le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec les

trois gros granulats 61

Graphique 9. f^ = 'l'(f^) pour le béton â très haute résistance

trois gros granulats ....62

Graphique 10. f^ = ip(Vf^) pour le béton à très haute résistance

calcaire dolomi tique .67

Graphique 11. f^ = 'Jj(f^) pour le béton à très haute résistance

calcaire dolomi tique 68

Graphique 12. f^ = ijj(Vfp pour le béton à très haute résistance

calcaire métamorphique 69

Graphique 13. f^ = 4)(f') pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

VI1

Graphique 14.

= ijj(Vf') pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

gravier fluvioglaciaire ..71

Graphique 15. f|, = 'p(f^) pour le béton à très haute résistance

gravier fluvioglaciaire 72

Graphique 16. f^ = ip(Vf^) pour le béton à très haute résistance

trois gros granulats 73

Graphique 17. f^ = il^Cf^I,) pour le béton â très haute résistance

trois gros granulats 74

Graphique 18. = (l)(Vfp pour le béton à très haute résistance

calcaire dolomitique 79

Graphique 19. pour le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

calcaire dolomi tique 80

Graphique 20. E^ = (})(Vf^) pour le béton â très haute résistance

calcaire métamorphique ..81

Graphique 21. E^ = (!)(f^) pour le béton â très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

calcaire métamorphique 82

Graphique 22. E^ =

pour le béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le

gravier fluvioglaciaire 83

Graphique 23. E' = <i)(f^) pour le béton â très haute résistance

gravier fluvioglaciaire 84

Graphique 24. E^ = (l)(Vf^) pour le béton à très haute résistance

trois gros granulats 85

Graphique 25. E^ = <}>(f^) pour le béton â très haute résistance

trois gros granulats 86

Graphique 26. E^ = (l>(Vf^) pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

Graphique 7.1. E' = pour le béton â très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

calcaire dolomitique 93

Graphique 28. = (l)(Vf^) pour le béton à très haute résistance

calcaire métamorphique 94

Graphique 29. E^ = <J'(f^) pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

calcaire métamorphique 95

Graphique 30. E^ =

pour le béton â très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

gravier fl uvioglaciaire 96

Graphique 31. E^ = i)(f^) pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le

gravier fluvioglaciaire .97

Graphique 32. E' = (J>(Vf^) pour le béton à très haute résistance

trois gros granulats 98

Graphique 33. E^ =

pour le béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec les

trois gros granulats 99

Graphique 34. Essai porosimétrique du béton â très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le calcaire dolomitique

(rapport E/C = 0,24)....

103

Graphique 35. Essai porosimétrique du béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le calcaire métamorphi

que (rapport E/C = 0,24)

104

Graphique 36. Essai porosimétrique du béton â très haute résistance sans fumée de silice, fait avec le gravier fluvio

glaciaire (rapport E/C = 0,24)

105

Graphique 37. Essai porosimétrique du béton â très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le calcaire dolomiti

que (rapport E/C •= 0,21)

...106

Graphique 38. Essai porosimétrique du béton à très haute résistance

avec fumée de silice, fait avec le gravier fluvio

glaciaire (rapport E/C = 0,21)

107

Graphique 39. Comparaison graginque de nos résultats avec ceux de

l'ACI [E^ = _<|)(V^)i pour les trois gros granulats sans

IX

Graphique 40. Comparaison de nos résultats avec ceux de 1 'AGI

[E' = <{)(Vf^)] pour les trois gros granulats avec

fumée de silice 118

Graphique 41. Comparaison graphique de nos résultats avec ceux de

l'ACI [f^ = 4)(Vf')] pour les trois gros granulats sans

fumée de silice 122

Graphique 42. Comparaison graphique de nos résultats avec ceux de

l'ACI [f^ = iJj(Vf')] pour les trois gros granulats

avec fumee de silice 123

Graphique 43. Courbe de retrait du béton à très haute résistance

sans fumée de silice, fait avec le calcaire

dolomi-tique (rapport E/C = 0,36)

134

Graphique 44. Conception d'un béton â très haute résistance sans

fumée de silice avec du ciment Type 30, 135 L/m^

d'eau de gâchage, avec utilisation de superplasti

fiant Mighty et un granulat concassé calcaire de

10 mm - gros granulat (1020 kg)

136

Graphique 45. E' = c))(f^) pour le béton â très haute résistance

fait avec les deux gros granulats calcaires 137

Cliché 1.

Lame mince du calcaire dolomitique

22

Cliché 2.

Lame mince du calcaire métamorphique

22

Cliché 3.

Lame mince du gravier fluvioglaciaire

23

Cliché 4. Montage pour la détermination du module d'élasticité

et du coefficient de Poisson 76

Cliché 5. C-S-H de Type III de Diamond [43] 109

Cliché 6. C-S-H de Type II de Diamond [43] 109

Cliché 7. C-S-H de Type IV de Diamond [43] 110

Cliché 8.

Particule de fumée de silice ayant partiellement

réagi 112

Tableau 3.1 Caractéristiques du ciment 17

Tableau 3.2 Caractéristiques physiques du sable

19

Tableau 3.3 Analyse chimique des gros granulats

20

Tableau 3.4 Caractéristiques mécaniques des gros granulats

24

Tableau 3.5 Caractéristiques physiques des gros granulats

25

Tableau 3.6 Composition chimique de la fumée de silice

28

Tableau 5.1

Composition des bétons frais sans fumée de silice,

faits avec le calcaire dolomitique 36

Tableau 5.2 Composition des bétons frais sans fumée de silice,

faits avec le calcaire métamorphique 37

Tableau 5.3 Composition des bétons frais sans fumée de silice,

faits avec le gravier fluvioglaciaire 38 Tableau 5.4 Propriétés des bétons frais, avec fumée de silice 40 Tableau 5.5 Propriétés des bétons frais, avec fumée de silice 41 Tableau 5.6 Propriétés des bétons frais, avec fumée de silice...43

Tableau 5.7 Propriétés des bétons durcis... 46

Tableau 5.8 Propriétés des bétons durcis 47

Tableau 5.9 Propriétés des bétons durcis 48

Tableau 5.10 Propriétés du béton durci, avec fumée de silice... 49 Tableau 5.11 Propriétés du béton durci, avec fumée de silice 50 Tableau 5.12 Propriétés du béton durci, avec fumée de silice. 51

Tableau 5.13 Corrélations:module de rupture - racine carrée de la

résistance en compression simple (f^ en MPa)...

65

Tableau 5.14 Corrélations:module de rupture - résistance en

compression simple (f^ en MPa)

66

Tableau 5.15 Corrélationsimodule d'élasticité - racine carrée de

la résistance en compression simple (E^ en GPa)

90

XI

Tableau 6.1 Module d'élasticité: comparaison de nos corrélations

avec celle de l 'American Concrète Institute (AGI) 115

Tableau 6.2 Module d'élasticité: comparaison de nos corrélations

avec celle de l 'American Concrète Institute (AGI) 116 Tableau 6.3 Module de rupture: comparaison de nos corrélations

avec celle de 1 'AGI 120

Tableau 6.4 Module de rupture: comparaison de nos corrélations

Le béton est un matériau de construction qui a connu, depuis la découverte des liants minéraux, une évolution passant de l 'empirisme pur â une rationalisation de plus en plus scientifique.

Dès les premiers moments de la mise en service du béton, le di-mensionnement des constructions se faisait par approche comparative. Cela

donnait un grand facteur de sécurité aux ouvrages, mais ne rationalisait pas économiquement les coQts de la construction. Grâce à la mise au point

des liants hydrauliques de bonne qualité et d'un prix de revient très intéressant,et au développement de la science des matériaux, l 'utilisation

du béton a permis non seulement d'assurer la sécurité mais aussi la longé vité des constructions de génie civil. La possibilité de construire pour longtemps et à moindre frais a été rendue possible par la détermination des caractéristiques aussi bien physiques que mécaniques du béton ordinaire

qui, jusqu'à très récemment encore, avait une résistance en compression

simple de l 'ordre de 30 à 40 MPa.

Compte tenu du souci d'économie et des limites intrinsèques des

bétons ordinaires au niveau de certaines propriétés mécaniques (par rapport

à d'autres matériaux utilisés dans l 'industrie de la construction comme

l'acier par exemple), compte tenu du coût relativement bas de l 'entretien

des constructions en béton et des coûts d'assurances, de nouveaux horizons se sont ouverts dans le domaine des bétons de plus en plus résistants.

En effet, grâce aux progrès technologiques récents, notamment

l 'utilisation des superplasti fiants, il est actuellement possible de mettre en place des bétons de chantier ayant une résistance en compression simple

beaucoup les sections de certains éléments ainsi que le coût de leur mise en oeuvre, d'où leur intérêt tant mécanique qu'économique.

Pour être rationnelle, l'utilisation de ces bétons a nécessité et nécessitera encore beaucoup de recherche, en particulier au niveau de la caractérisation des propriétés mécaniques: résistance â la compression

simple, â la flexion, module d'élasticité, coefficient de Poisson, fluage,

etc..., dont la connaissance exacte est obligatoire pour permettre au concepteur d'effectuer ses calculs.

Dans une de ses publications, 1 'American Concrète Institute (AGI)[7] propose les corrélations suivantes entre la résistance â la compression

simple et le module d'élasticité et entre la résistance â la flexion et la résistance â la compression simple du béton.

= 3 320 Vf^L + 6 900 ... (MPa)

f;, = 0,94 Vf^ ... (MPa)

Cependant, il convient de noter que ces corrélations ne sont valables que

pour des bétons dont la résistance à la compression simple est comprise entre 21 et 83 MPa. Dans notre travail, nous avons voulu étudier le champ

de validité de ces formules dans le cas des bétons â très haute résistance de 60 à 120 MPa, ou bien développer de nouvelles formules plus appropriées pour ce genre de bétons.

La notion de bétons â très haute résistance a évolué avec le

temps. Un béton dont la résistance dépassait celle des bétons conçus â

une époque donnée, était considéré comme un béton â haute résistance. Ainsi, en 1950, un béton de 34 MPa était considéré comme un béton à haute

résistance. Avec le développement de la technologie des matériaux de

construction, en 1960, on a commencé à commercialiser des bétons de 41 â

52 MPa [7]. En 1970, du béton de 62 MPa était produit [7]. De nos jours, on fabrique des bétons de 110 MPa et plus [7]. Puisque la définition du béton à très haute résistance est relativement floue et a évolué dans le

temps, le Comité 363 de 1 'American Concrète Institute (ACI) a adopté une

définition d'après laquelle la limite inférieure des bétons â très haute

résistance est de 41 MPa. Le Comité a exclu de cette définition les bé tons fabriqués avec de l 'époxy, des polymères ou avec des granulats lourds

manufacturés. Le Comité reconnaît ainsi que la notion de béton â très

haute résistance est aussi liée â la géographie. Dans les endroits oQ du

béton de 62 MPa est commercialisé, la limite inférieure des bétons â très haute résistance peut Être de 83 MPa.

1.1 Les matériaux requis

1.1.1 Le ciment

Au Québec, il a été montré que les ciments les plus performants pour les bétons à très haute résistance sont des ciments de Type 10 et 30 fabriqués par des cimenteries locales [9]. Le choix entre ces deux ciments

dépend du type d'usage du béton de haute résistance. En effet, pour des constructions précontraintes, le Type 30 peut s'avérer plus intéressant à

cause de sa haute résistance initiale.

1.1.2 L'eau de gâchage

L'eau de gâchage pour les bétons à haute résistance doit être

potable.

1.1.3 Les granulats

Les granulats pour les bétons â très haute résistance doivent

être choisis en accord avec les normes ASTM C-33 ou l'ACNOR A23.1-M77;

cependant, il y a des spécificités dont il faudrait tenir compte en matière de bétons de haute résistance.

1.1.3.1 Le sable

Le sable utilisé pour fabriquer des bétons de haute résistance doit avoir un module de finesse élevé. Avec un module de finesse d'envi

ron 3, on a une meilleure ouvrabilité et de meilleures résistances en

compression simple. Un module de finesse inférieur â 2,5 rend le béton collant, peu compact et donne des résistances moins bonnes [38].

La granulométrie du sable n'a pas d'influence â court terme, par contre, â long terme et pour des résistances élevées, des sables à granulo métrie normalisée donnent de meilleures résistances que les sables avec granulométrie discontinue [23]. Les grains de sable doivent être de forme arrondie ou cubique de façon à ne pas contenir de particules plates et allongées. La surface spécifique du sable s'en trouvera ainsi réduite ce qui réduira la quantité de l 'eau de gâchage.

teurs: le diamètre maximal, la forme des grains, la minéralogie, la

granu-lométrie, le module d'élasticité, la résistance en compression simple.

1.1.3.2.1 La résistance en compression simple du gros granulat

La résistance en compression est un facteur important pour fabri quer du béton à très haute résistance: elle doit être suffisamment élevée si l 'on veut que le béton ait une résistance très élevée. La résistance en compression du gros granulat doit être comparable â celle du mortier pour mieux contribuer â la résistance du béton [39].

1.1.3.2.2 Le module d'élasticité du gros granulat

Le module d'élasticité du gros granulat doit être semblable à celui de la pâte de liant, dans un béton de très haute résistance. En

effet, toute différence sensible de déformabilité entre ces deux consti

tuants essentiels du béton pourrait constituer une source de contraintes locales capables de faire décoller le gros granulat et la pâte de ciment hydratée.

1.1.3.2.3 La composition minéraloqique du gros granulat

La liaison pâte-granulat est un facteur limitatif de la résis tance d'un béton et plus particulièrement d'un béton â très haute résistan ce. C'est la raison pour laquelle un granulat qui permettrait d'obtenir la meilleure liaison avec la pâte de ciment hydratée conviendrait le mieux

pour fabriquer un béton à très haute résistance. Il a été montré que la silice donne de bonnes liaisons avec la pâte de ciment hydratée [9].

Cependant, la question à savoir quel rôle la composition minéralogique d'un granulat présente sur la résistance d'un béton reste encore un champ ouvert

de recherche. Néanmoins, les granulats très réactifs (réaction

alcalis-granulats) sont à proscrire dans la technologie du béton à très haute ré

sistance comme d'ailleurs pour la fabrication de n'importe quel type de

béton.

1.1.3.2.4 Le diamètre maximal du gros granulat

Dans la technologie du béton â très haute .résistance, on recher

che toujours les facteurs qui minimisent l 'utilisation de l'eau. L'emploi

de gros granulats â grand diamètre maximal serait un moyen de limiter la

quantité d'eau de gâchage, mais malheureusement, on a remarqué que les

meilleures résistances s'obtenaient avec des gros granulats de diamètre maximum compris entre 10 - 14 mm [7]. En effet, la mécanique des roches

nous dit que la résistance d'un échantillon de roche augmente avec la

diminution de ses dimensions; c'est le phénomène d'échelle [40]. Ce phé

nomène peut Être expliqué en ces termes: plus on concasse un granulat, plus on élimine ses plans de faiblesse. Un granulat de faible diamètre maximal est plus résistant que le même granulat de plus grand diamètre maximal.

1.1.3.2.5 La granulométrie du gros granulat

La granulométrie du gros granulat pourrait avoir une influence sur la résistance du béton â très haute résistance. Plus elle est dense,

plus la compacité du béton s'en trouvera améliorée et plus le béton sera résistant. FREEDMAN [41] rapporte néanmoins que la granulométrie influ

ment hydratée. Elle agit aussi sur la demande en eau de gâchage et par conséquent sur l 'affaissement. Dans les bétons à très haute résistance, la forme qui a donné de meilleures performances est la forme cubique. Elle demande moins d'eau et facilite la mise en oeuvre du béton contrairement aux grains rugueux à grande angularité, en paillettes ou en aiguilles. Les

grains arrondis (gravier) adhèrent mal à la pâte de liant tandis que les

particules allongées ou en aiguilles résistent mal à la propagation des fissures.

1.1.4 Le superplastifiant

Le superplastifiant est un agent réducteur d'eau à haute perfor mance. Il permet de fabriquer des bétons de faible rapport eau-ciment ayant une bonne ouvrabilité. Son action dans le béton consiste surtout à disperser les grains de ciment dans l 'eau.

Les principaux superplastifiants actuellement disponibles sur le marché sont:

- des condensats de formaidéhyde et de sulfonate de mélamine - des condensats de folmaldéhyde et de sulfonate de naphtalène - des lignosulfonats modifiés.

Ils sont commercialisés soit sous forme liquide, soit en poudre qu'il faut dissoudre avant utilisation, ou qui se dissout automatiquement dans le bé

ton. Leur dosage maximal ne doit pas affecter la qualité du béton (fissu

8

1.1.5 Les ajouts minéraux

Les ajouts minéraux utilisés dans les bétons à très haute ré

sistance sont des matériaux pouzzolaniques, des laitiers ou des fi 11 ers

calcaires. Les pouzzolanes fixent la chaux libérée pendant l 'hydratation

du ciment pour donner des C-S-H secondaires. Ces C-S-H secondaires peuvent

augmenter la résistance à long terme du béton. Les autres ajouts minéraux contribuent à améliorer la résistance à long terme du béton. Comme les

pouzzolanes, ils améliorent aussi 1 'ouvrabilité, la durabilité des bétons

et réduisent la quantité de chaleur libérée lors de l 'hydratation du liant.

Enfin, il faut noter qu'ils réduisent les coQts de production du béton à

très haute résistance. Les principaux ajouts minéraux utilisés sont:

- les cendre volantes, - les fumées de silice et

- les laitiers de hauts fourneaux.

Les cendres volantes sont un produit de la combustion du charbon

pulvérisé,dans les centrales thermiques. Leur surface spécifique varie

entre 500 et 700 m^/kg.

Les fumées de silice sont un sous-produit de l 'industrie du si

licium et du ferro-silicium. Elles sont formées de microsphères de silice

amorphe de 0,1 ym de diamètre moyen. Elles contiennent entre 85 et 95% de

p

silice. Leur surface spécifique est de l 'ordre de 20 000 m /kg.

Les laitiers de haut fourneaux sont des sous-produits de l 'in

dustrie sidérurgique (hauts fourneaux). Ils sont obtenus par trempe du

liquide qui surnage sur la fonte. Après broyage, leur surface spécifique

La résistance en compression simple du béton diminue de 5% â 7% pour chaque

1% d'air occlus[9]; par conséquent, il est bon quand on fabrique un béton â

CHAPITRE 2

LES PROPRIETES MECANIQUES DES BETONS A TRES HAUTE RESISTANCE

Le module d'élasticité du béton est un paramétre de grande impor

tance. On l 'utilise pour analyser des structures en béton. Il permet

entre autres de calculer la perte de la précontrainte, la déflexion, les

paramétres d'une section en béton ordinaire ou armé. En outre, la stabi

lité des structures en béton en dépend. Le module d'élasticité (E^) est

assez difficile à mesurer contrairement â la résistance en compression

simple (f^). C'est pour ces raisons que depuis longtemps, on a essayé de

relier la valeur E^ à la valeur de f^. Ce travail ne saurait être l'objet

d'un seul essai vu le développement de la technologie du béton. En effet,

avec l'apparition des superplastifiants, la technologie du béton â très

haute résistance a vu le jour. L'utilisation de faibles rapports

eau-ciment, combinée â celle des ajouts minéraux vient modifier la microstruc

ture du béton. Il apparaît donc dans le béton durci des produits d'hydra

tation (C-S-H)*trés denses et très résistants. Ces C-S-H influencent le

module d'élasticité, le coefficient de Poisson et le module de rupture des

bétons a très haute résistance. La science des matériaux nous dit que les

propriétés mécaniques des corps sont fonction de la nature de la densité

des liaisons interatomiques, il apparaît évident que les paramétres méca

niques d'un béton ordinaire ne sauraient décrire un béton â haute résis

tance. Le travail que nous avons effectué s'inscrit dans cette logique.

Il s'est basé sur des travaux antérieurs dont nous allons parler dans ce

chapitre.

2.1 Le module d'élasticité

Le module d'élasticité d'un béton est une caractéristique impor tante qu'il est difficile et long de mesurer. Souvent, on préféré établir des corrélations simples bien qu'imparfaites pour avoir une valeur appro chée du module d'élasticité. Très souvent, on établit des corrélations entre le module d'élasticité et la résistance en compression simple qui est très facile à mesurer. C'est ainsi que diverses corrélations ont été pro posées. Certaines se sont avérées non satisfaisantes pour des résistances en compression simple supérieures à celles pour lesquelles elles avaient été établies. Nous passerons donc en revue l 'essentiel de ce qui a été fait sur l'expression du module d'élasticité en fonction de la résistance en compression en précisant chaque fois la plage de résistance oû cette relation est valable. Selon les recommandations du Comité ACI-318 [22],

le module d'élasticité d'un béton à 28 jours s'exprime de la façon suivante:

(ACI-318 Building Code formula)

Pour le Comité ACI-ASCE 323 [22]

= 0,5 f^ + 12,4 ... (GPa), f^ en MPa.

Pour JENSEN [14]:

K

n ... (GPa) oû f' en MPa,

12

Pour INGE LYSE [13]:

E' = 0,46 f' + 12,4 ... (GPa) oQ f' en MPa

^ ^ L>

Toutes les formules précédentes développées pour des bétons de

densité normale ne sont pas satisfaisantes pour les bétons légers [22].

C'est ainsi que PAUW [22] développa une formule de la forme

E' = A (W )^(f')C où A, B, G sont des coefficients,

: la masse volumique humide superficiellement sëche du béton et

fç : sa résistance en compression simple.

Après détermination des coefficients A, B et C, la formule peut s'écrire,

ainsi:

E^ = (4,2

V7^) 10 ^ ... GPa, où f^!. en MPa et en kg/m^.

Cette formule a été reprise par CARRASQUILLO [11] et le Comité AGI

318-77 [6]. Comme la masse volumique du béton avec lequel Pauw avait

tra-3

vaillé était de l 'ordre de 2 320 kg/m la formule précédente peut s'écrire

ainsi

E' = 4,7 VfT

(GPa) où fJ en MPa.

Toutes les formules présentées ici jusqu'à maintenant ont donné des résul

tats satisfaisants pour des bétons de résistance en compression f^ < 21 MPa

[7]. Leur extrapolation au béton à très haute résistance a donné des ré sultats par excès supérieurs à 50% ou plus de leur vraie valeur.

Un autre type de corrélation a été développé par KLINK

[16]. Elle se présente sous une forme semblable â celle de PAUW. Elle

s'écrit ainsi :

e; = (9,5

) 10"^ ... GPa, f' en MPa.

9,3 MPa 4 f'^4 50,5 MPa.

Dans cette formule, le module d'élasticité statique a été mesuré au centre même des échantillons de béton. Il est de 50% supérieur à celui mesuré par la méthode classique [16].

MARTINEZ, NILSON, SLATE [20] ainsi que MORENO et SHAW [21] ont développé la formule suivante:

El = 3,3 Vfr+ 6,9 ... (GPa) fi en MPa.

21 MPa ^ f^ ^ 83 MPa.

Cette formule a été reprise par CARRAQUILLO [11] et le Comité ACI 363 [7].

POMEROY [26] pour sa part a établi des formules reliant directement le

module d'élasticité â la résistance en compression simple. Ces expressions sont valides seulement jusqu'à 100 MPa.

E'

= 0,20 fi + 20,0 ... (GPa) fi en MPa

^ 28d

^

Ei = 0,19 fi + 24,8 ... (GPa) f'_ en MPa.

14

2.2 Coefficient de Poisson

La valeur du coefficient de Poisson des bétons à très haute ré sistance est assez controversée. Elle est loin d'être résolue et demande à cet effet beaucoup de recherche. Il a été rapporté très peu de valeurs expérimentales de ce coefficient. Aucune corrélation entre la résistance en compression simple des bétons â très haute résistance n'a été établie. Cependant, des valeurs ou des plages de valeurs ont été rapportées.

D'un côté, SCHIDELER [31], CARRASQUILLO et al [11] rapportaient

que le coefficient de Poisson du béton à très haute résistance, fait avec des gros granulats légers était de 0,20 indépendamment de sa résistance en compression simple, de son âge et de son humidité. Ce béton avait une résistance en compression simple de 73 MPa â 28 jours.

D'un autre côté, PERENCHIO et KLIEGER [24] rapportaient que le

coefficient de Poisson était compris entre 0,20 et 0,28 pour des bétons à très haute résistance de densité normale. La résistance en compression simple de ces bétons était comprise entre 55 MPa et 80 MPa. Ils conclurent â partir des valeurs obtenues que le coefficient de Poisson avait tendance â augmenter lorsque le rapport eau-ciment diminuait. KAPLAN [19] a mesuré le coefficient de Poisson par la méthode dynamique. Il rapporte que le coefficient de Poisson varie entre 0,23 et 0,32 indépendamment de l 'âge du béton et de la résistance en compression simple du gros granulat. Les bétons avec lesquels Kaplan avait travaillé avaient une résistance en com pression simple comprise entre 17 MPa et 79 MPa.

2.3 Module de rupture*

Le module de rupture des bétons â très haute résistance a été étudié par de nombreux chercheurs. Les corrélations obtenues se situent

entre 0,59 VTT (en MPa) et 0,94 VfT (en MPa) [31], [11] et

^ c

La première corrélation a été obtenue à partir des résultats d'essais

brésiliens, tandis que la seconde a été obtenue à partir des résultats

d'essais de résistance en flexion [31]. Cependant, seule la deuxième

corrélation est recommandée [7] â savoir:

f; = 0,94 ]ff^

21 MPa ^ < 83 MPa,

★

Le module de rupture d'un matériau est par définition sa résistance

à la flexion (sa résistance â la traction simple, déterminée de

CHAPITRE 3

LES MATERIAUX UTILISES LORS DES ESSAIS

3.1 Le ciment

3.1.1 Origine

Nous avons travaillé avec du ciment de Type 30 fabriqué par la cimenterie St-Laurent â son usine de Beauport.

3.1.2 Caractéristiques

Pour identifier le ciment utilisé, nous avons procédé â son ana

lyse chimique et â la vérification de son activité hydraulique. Nous avons

aussi calculé sa composition de Bogue et procédé à des essais de temps de

prise (voir tableau 3.1).

3.1.3 Réception et entreposage

Pour éviter toutes variations sur la qualité du ciment tout au

long du projet, nous avons utilisé des sacs de ciment provenant d'une même séquence de production. Nous avons procédé â un bon entreposage du ciment

en couvrant les sacs d'une toile de plastique. Cela s'est avéré très effi cace car durant tous les travaux de laboratoire, nous n'avons constaté aucune préhydratation.

3.2 Le sable

Le sable que nous avons utilisé est celui utilisé par la compa gnie locale Aimé côté. C'est un sable siliceux naturel.

Composition chimique % Perte en feu Insolu bles Chaux

1 ibre Si Og AI2O3 CaO MgO SO3

Al calis (equiV.) Na?0 2,3 0,67 1,3 21 5,1 1,8 63 2,7 2,5 0,75 Composition mméralogique % C3S C2S C3A C4AF 55 20 10,5 5,5 Temps de prise mn Initiale _Finale 130 220

Tableau 3.1 Caractéristiques du ciment

* Les résultats du Tableau 3.1 proviennent de la cimenterie

18

3.2.1 Préparation

Nous avons utilisé la fraction de sable traversant le tamis de 5 mm. La fraction, supérieure à 5 mm, n'a pas été jugée satisfaisante pour fabriquer des bétons à très haute résistance. Elle était constituée de

particules trop friables ou â très faible résistance en compression. Nous

parlerons par la suite de ce sable comme étant un sable modifié.

3.2.2 Entreposage

Le sable utilisé a été entreposé dans des barils couverts pour éviter toute contamination et toute rupture de stock durant les travaux de laboratoire.

3.2.3 Caractéristiques physiques

L'analyse granulométrique du sable est fournie dans le tableau 3.2. Le module de finesse du sable modifié était de 2.3. Sa densité

humide superficiellement sèche d^^^ = 2,65 tandis que son absorption était

de 1,2% (voir tableau 3.2).

3.3 Les gros granulats

3.3.1 Ori gi nés

Nous avons utilisé trois différents gros granulats qui sont:

- un calcaire métamorphique provenant de la carrière Lime-Ridge, près de Sherbrooke.

- Un calcaire dolomitique provenant d'une carrière de la région de Montréal

la carrière Mirabel.

Mailles des tamis % Passant mm um 10 5 2,5 1,25 630 315 160 Sable brut 100 92 83 72 56 29 7 Sable modifié (passant 5mm — 100 90 78 61 32 8 Fuseau normalisé 100 100-94 100-80 90-50 66-24 34-10 10-2

Module de finesse

Brut

Corrigé

Normalisé

20

Composition minérale en %

!

Calcaire dolomitique Calcaire métamorphique Gravier fluvio glaciaire Grains pâles Grains foncés Grains pâles Grains foncés CaO PAF 27,84 42,99 21,84 35,1 56,0 41,28 53,7 39,97 4,40 5,92

Si02

AI2O3

F2O3

Na20

K2O

Ti02

''2°5

3.3.2 Identification

Pour identifier les minéraux présents dans les gros granulats,

nous avons procédé â une analyse chimique des trois gros granulats (voir

tableau 3.3). Cette analyse a prouvé que le calcaire métamorphique est

essentiellement composé de cal ci te (Ca CO^), le calcaire de Mirabel est

dolomitique [(Ca, Mg) CO2]. Quant au gravier, il a une composition com

3.3.3 Entreposage

Tous les trois gros granulats ont été entreposés dans des barils

pour éviter toute contamination et toute rupture de stock au cours des tra

vaux de laboratoire.

3.3.4 Caractéristiques mécaniques, physiques et chimiques

Les granulats utilisés ont fait l'objet d'essais mécaniques et

physiques, d'une analyse chimique et d'une analyse pétrographique sur lames

minces au microscope optique.

Les essais mécaniques C* et T**s E^*** (50%) ont été déterminés

sur le calcaire dolomi-tique (voir tableau 3.4).

Les essais physiques ont été déterminés sur tous les granulats

(voir tableau 3.5)

L'analyse chimique des gros granulats a été faite et elle est

fournie dans le tableau 3.3.

L'analyse pétrographique a été faite pour le calcaire dolomi

22

Cliché 1. Lame mince du calcaire dolomitique (x 400)

Grains de 0,02mm en moyenne, faiblement cimentés

Cliché 2. Lame mince du calcaire métamorphique

Cliché 3. Lame mince du gravier fluvioglaciaire Grains de quartz très fins de 0,005mm

24

No

d'échantillon

Co

(MPa) (MPa)To Co/To Eo à 50%(GPa)

1 V 110 11,6 9,5 38,6 3 V 120 14,6 8,2 55,7 4 V 120 14,0 8,6 40,9 5 H 130 15,0 8,7 41,3 6V 140 19,9 7,0 65,8 Moyenne 120 ± 13 14,2 ± 3,1 +1 oc 47 ± 10,2

Tableau 3.4 Propriétés mécaniques du calcaire

dolomitique de Mirabel

Cq : résistance en compression simple du calcaire dolomitique

Tq : résistance en tension mesurée par l'essai brésilien

Types de

gros

granulats % passant

Ouverture des tamis (mm) _"^sss Abs.

% U 10 5 2,5 1,25 Calcaire dolomitique 100 84 1 0 0 2,85 0,9 Calcaire métamorphi que 100 95 16 1 0 2,72 0,9 Gravier fl uvio-glaciaire — 100 5 0 0 2,69 0,6 Fuseau normalisé (10-2,5)mm 100 100-85 30-10 10-0 0-5

UNIVERSITE DE SHERBROOKE LABORATOIRE DE MATÉRIAUX ANALYSE GRANULOMÉTRIQUE PROJET SITE ECHANTILLON N' DESCRIPTION DU GRANULAT Le qranulat fin et les gros qranulats MICROMETRES MILLIMETRES

'P

'f

.

3.4 La fumée de silice

3.4.1 Origine

La fumée de silice utilisée provient de Bécancour. C'est un sous-produit de l'usine de silicium et de ferrosilicium.

3.4.2 Identification

La fumée de silice a été utilisée sous forme densifiée.

Elle s'identifie facilement par sa couleur gris-violet et par son état

fin non foisonné.

3.4.3 Réception et entreposage

La fumée de silice a été livrée dans des barils pour éviter qu'elle

ne s'envole lors du transport.

Elle a été ensuite entreposée dans ces mêmes barils. Ces conte

nants ont été hermétiquement fermés pour éviter toute agglomération par

1 'humidité de 1 'air.

3.4.4 Caractéristiques physiques et chimiques

La fumée de silice a une très grande finesse, 20 000

2

m /kg (B.E.T.). Sa granulométrie est presque uniforme. Sa densité est de

2,22. Ses grains sont de forme sphérique. Elle a une très forte teneur

en SiO^ et comporte d'autres éléments tels que K2OS etc... (voir tableau

28 Minéraux

Composition (%)

Si02

Fe203

Na20

K2O

3.5 L'eau de gâchage

L'eau utilisée est de l'eau de robinet maintenue â la température

de la pièce (20°C). Elle rencontre en effet toutes les prescriptions de

l 'ACNOR en matière de béton.

3.6 Le superplastifiant

Le superplastifiant utilisé était composé de 50% de Mighty retar

dateur et de 50% de Mighty ordinaire. C'est un superplastifiant â base

de condensats de formaldéhyde et dç sulfonate de naphtalème sodium.

CHAPITRE 4 MANIPULATIONS

Les manipulations consistaient à concevoir et fabriquer des bé

tons â très haute résistance à partir de trois gros granulats ayant des

caractéristiques très différentes. Nous avons fabriqué des séries de

béton ayant les rapports E/C suivants: 0,39; 0,36; 0,33; 0,30; 0,27; 0,24

avec chacun des trois gros granulats sans utiliser de la fumée de silice.

Nous avons aussi fabriqué trois séries de béton ayant des rapports E/C

égaux à 0,27; 0,24; 0,21 avec chacun des mêmes gros granulats, mais en uti

lisant cette fois-ci de la fumée de silice.

4.1 Les normes utilisées

Lorsque nous avons fabriqué les différents bétons, nous avons utilisé:

- la norme CAN3-A23.1-M77 (Bétons - Constituants et exécution des travaux),

[42];

- la norme CAN3-A23.2-M77 (Essais concernant le béton) [42];

- la norme ASTM (Standard Method of Test for Static Modulus of Elasticity

and Poisson's Ratio of Concrète in Compression, ASTM C 469-65, 1975)

[33].

4.2 Les gâchées d'essai

Chaque gâchée d'essai devait nous permettre d'obtenir la compo sition du béton frais. Elle devait aussi fournir suffisamment de béton

pour confectionner 15 cylindres 100 x 200 mm (mesure de la résistance en compression simple â Id, 7d, 28d, 91 d et 1 an), 6 cylindres 150 x 300 mm

(mesure du module d'élasticité et du coefficient de Poisson â 7d, 28d et

91d), 9 poutres 100 x 100 x 400 mm (mesure de la résistance en flexion à

7d, 28d et 91d). Chaque gâchée devait nous permettre aussi de mesurer

la teneur en air (méthode de la pression de l'air) et la masse volumique

du béton frais.

C'est pour satisfaire à tous ces besoins que nous avons décidé

de fabriquer des gâchées de 300 kg chacune.

4.2.1 La confection du béton

Nous nous sommes basés sur la norme CAN3-A23.2-M77 (paragraphe

A.23.2 2C) pour confectionner le béton. Nous commencions par déverser le

sable dans le malaxeur et nous le mélangions pendant environ une minute

jusqu'à homogénéisation. Après quoi, nous en prélevions 500 g pour en déter

miner son humidité. Puis nous faisions toutes les corrections nécessaires

sur l 'eau de gâchage et le sable. Nous ajoutions ensuite le ciment et

on le malaxait avec le sable pendant environ une minute jusqu'à homo

généisation, puis nous ajoutions l'eau de gâchage dans laquelle nous

avions ajouté du superplastifiant. Nous malaxions le mortier ainsi obtenu

jusqu'à ce qu'il soit bien homogène, puis nous ajoutions le gros granulat

et mettions simultanément un chronomètre en marche. Le béton obtenu était malaxé pendant cinq minutes. Après ces cinq minutes de malaxage, nous

commencions l 'échantillonnage du béton. Nous en mesurions l'affaissement

(paragraphe A23.2-5C de la norme ACNOR A23.2), la masse volumique (para

graphe A23,2-6C), la teneur en air (paragraphe A23.2-4C). Nous confec

32

4.2.2 Eprouvettes d'essai et leur mûrissement

La confection des eprouvettes d'essai et leur mûrissement se faisait selon le paragraphe A.23.2-3C. Leur mûrissement se faisait dans

des contenants remplis d'eau saturée en chaux. Les eprouvettes y étaient

immergées jusqu'à la date des essais.

4.2.3. Coiffage des éprouvettes

Seuls les cylindres étaient coiffés. Le coiffage", fait à base de sou

fre, crée un certain confinement aux bouts des cylindres pour éviter leur

extension latérale et ainsi leur détérioration à l'extension. Il permet

aussi de rendre les plans d'application de la force de compression, per

pendiculaire à l 'axe longitudinal des cylindres. Cela permet de réduire,

voire même annuler l'excentricité des cylindres (compression simple).

4.2.4 Essais sur le béton durci

Lors des essais sur le béton durci, nous avons déterminé sa ré sistance en compression simple, sa résistance en flexion, son module

d'élasticité statique et son coefficient de Poisson.

4.2.4.1 Détermination de la résistance en compression simple (f^)

sur des cylindres 100 x 200 mm. Elle a été faite conformément au para

graphe A23.2-9C de la norme utilisée. Elle a été déterminée sur une

presse hydraulique "Baldwin" à deux échelles de capacité respectives de 265,9 et 1 779,4 kN. Le béton était humide, superficiellement sec.

4.2.4.2 Détermination de la résistance en flexion (f^)

La résistance en flexion du béton a été déterminée sur des

poutres 100 x 100 x 400 mm, conformément au paragraphe A.23.2-8C de la

norme utilisée. Elle a été déterminée â l'état humide, superficiellement

sec, sur une presse hydraulique "Baldwin" à trois échelles de capacité

respective de 71,2kN, 133,4 kN et 266,9 kN.

4.2.4.3 Détermination du module d'élasticité (EM et du coefficient de Poisson

Le module d'élasticité et le coefficient de Poisson ont été dé

terminés sur presse hydraulique MIS de capacité de 3 000 kN. Cette presse

a quatre échelles de capacité 300 kN, 600 kN, 1 500 kN et 3 000 kN. La courbe

déformation longitudinale - charge axiale ainsi que la courbe déformation

longitudinale - déformation transversale ont été enregistrées sur une

table traçante branchée sur un appareil LVDT (voir cliché 4).

La détermination du module d'élasticité et du coefficient de Poisson a

CHAPITRE 5

PRESENTATION ET COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS

Dans ce chapitre, nous présenterons les résultats obtenus lors de

nos expériences de façon à pouvoir les comparer entre eux. La présentation

et la comparaison se feront dans l'ordre suivant: d'abord, nous discuterons des propriétés du béton frais, ensuite de celles du béton durci.

5.1 Propriétés des bétons frais

5.1.1 Composition

Lorsque nous avions établi la composition des bétons frais que nous allions étudier, nous avions essayé de conserver trois paramétres constants. Ces paramétres étaient: la quantité d'eau de gâchage, la quan tité de gros granulats et la teneur en air. Les autres proportions de

matériaux étaient déduites â l 'aide du rapport E/C (pour le ciment) ou par

la méthode des volumes absolus (pour le sable). C'est ainsi que si l 'on

examine d'une part la composition des bétons confectionnés sans fumée de silice, l'on se rend compte du fait suivant:

pour les mélanges faits avec le calcaire dolomitique, la quantité d'eau de gâchage a été de 135 kg/m . La quantité de gros granulats a été en

moyen-3 3 3

ne de 1 025 kg/m . La quantité de ciment a varié de 350 kg/m à 570 kg/m .

3 3

La quantité de sable a varié entre 905 kg/m et 720 kg/m . La teneur en air a été de 3,2% pour les rapports E/C = 0,39; 0,36 et 0,33, de 2,8% pour les rapports E/C = 0,30 et 0,27 et de 2,5% pour le rapport E/C = 0,24.

3

Le dosage en superplastifiant a varié quant â lui de 7,65 L/m

pour le rapport E/C = 0,39 â 16,3 L/m^ pour le rapport E/C = 0,24. Il a

augmenté quand le rapport E/C diminuait.

La masse volumique a varié de 2 410 kg/m^ â 2 450 kg/m^ (voir

tableau 5.1).

Pour les mélanges faits avec le calcaire métamorphique, la

quan-tité d eau de gâchage a été en moyenne de 135 kg/m . La quanquan-tité de gros

granulats a été en moyenne de 1 010 kg/m^. La quantité de ciment a varié

3 1 1

entre 350 kg/m et 575 kg/m . La quantité de sable a varié de 900 kg/m

3

â 725 kg/m . La teneur en air a varié de 3,3% â 2,8%.

Le dosage en superplastifiant a, quant â lui, varié de 8 L/m^ â

17,6 L/m^.

La masse volumique a varié de 2 340 kg/m^ à 2 460 kg/m^ (voir

tableau 5.2).

Pour les mélanges faits avec le gravier, la quantité d'eau de

^ - - 3

gâchage a été de 135 kg/m . La quantité de gros granulats a été en

moy-3 3

enne de 1 015 kg/m . La quantité de ciment a varié de 350 kg/m â 570

kg/m^. La quantité de sable a varié de 905 kg/m^ à 695 kg/m^. La teneur

en air a varié de 3,2% â 2,7%.

Le dosage en superplastifiant a varié de 6,4 L/m^ â 19,3 L/m^.

La masse volumique, quant â elle, a varié de 2 400 kg/m^ â 2 425

3

kg/m . Elle présentait une tendance nette à la hausse quand le rapport

E/C décroissait (voir tableau 5.3).

Si nous comparons les séries de mélanges faits avec les trois gros granulats, sans utilisation de fumée de silice, nous nous rendons

compte des faits suivants:

Ces mélanges ne sont pas très différents les uns des autres pour un

rapport E/C donné. Leur composition est presque la même. Les diffé

rences se situent dans les limites mêmes de la précision de la pesée en technologie du béton.

36

Rapports - eau ciment

Matériaux uti1isés 0,39-M 0,36-M 0,33-M 0,30-M 0,27-M 0,24-M Eau

(kg/m^)

(kg/m^)

(kg/m^)

(kg/m^)

(L/m^)

(kg/m3)

Tableau 5.1 Composition des bétons frais, sans fumée de

Rapports - eau ciment

Matériaux

uti1isés 0,39-AC 0,36-AC 0,33-AC 0,30-AC 0,27-AC 0,24-AC

Eau

(kg/m^)

(kg/m^) (

(kg/m^)

(kg/m^)

(L/m^)

(kg/m3)

Tableau 5.2 Composition des bétons frais sans fumée de silice, faits avec le calcaire métamorphique

38

Rapports - eau ciment

Matériaux utilisés 0,39-G 0,36-G 0,33-G 0,30-G 0,27-G 0,24-G Eau

(kg/m^)

(kg/m^)

(kg/m^)

(kg/m^)

(L/m^)

(kg/m3)

Tableau 5.3 Composition des bétons frais sans fumée de

La teneur en air est presque la même pour un rapport E/C donné et un

affaissement donné. Elle tend à baisser quand le mélange est sec ou

très fluide. Elle présenterait peut-être un optimum â un certain af

faissement.

Si l 'on examine d'autre part les mélanges confectionnés avec de

la fumée de silice, l 'on se rend compte du fait suivant:

pour les mélanges faits avec le calcaire dolomitique, la quantité d'eau de

- 3

gâchage a été en moyenne de 135 kg/m . La quantité de gros granulat a été

3 3

en moyenne de 1 020 kg/m . La quantité de ciment a varié de 475 kg/m â

3 3 3

520 kg/m et celle de la fumée de silice a varié de 30 kg/m à 70 kg/m .

3 3

La quantité de sable a varié de 755 kg/m â 635 kg/m . Le dosage en su

perplastifiant a varié de 14,6 L/m^ â 19,2 L/m^. La teneur en air a

varié de 0,8% a 2%. La masse volumique a varié de 2 405 kg/m^ à 2 470

kg/m (voir tableau 5.4).

Pour les mélanges faits avec le calcaire métamorphique, la

quan-tité d'eau de gâchage a été de 135 kg/m . Celle de gros granulats a été

3 3

en moyenne de 1 015 kg/m . La quantité de ciment a été de 475 kg/m â

575 kg/m^. Celle de la fumée de silice a été de 30 kg/m^ â 70 kg/m^. La

3 3

quantité de sable a varié entre 760 kg/m et 620 kg/m . Le dosage en

su-3 3

perplasti fiant allait de 11,2 L/m â 11,4 L/m . La teneur en air a varié

de 2% à 3,8%. La masse volumique allait de 2 400 kg/m^ â 2 440 kg/m^

(voir tableau 5.5).

Pour les mélanges confectionnés avec le gravier, la quantité d'eau

3

de gâchage a été de 135 kg/m . La quantité de gros granulats a été en

3 3 3

moyenne de 1 025 kg/m . Celle du ciment a été de 480 kg/m à 585 kg/m .

3 3

La quantité de fumée de silice a varié de 30 kg/m à 70 kg/m . Celle du

3 3

40

Matériaux utilisés

RAPPORTS EAU - CIMENT

0,27 M.FS 0,24 M.SF 0,21 M SF Eau , kg/m'^ 135 135 140 Ciment kg/m^ 475 535 590 Fumée de silice kq/m3 30 35 70 Sable kg/m^ 755 710 635 Pierre kg/m3 1010 1020 1035 Superplas ti fiant L/m^ 19,2 14,6 15,6 Teneur en air % 0,8 1,3 2 Affaissement mm Fluide FI ui de Fluide Masse volumique kq/m3 2405 2435 2470

Matériaux utilisés

RAPPORTS EAU - CIMENT

0,27 AC.FS 0,24 AC.FS 0,21 AC.FS

Eau kg/m-' 135 135 135 Ciment kq/ra3 475 535 575 Fumée de silice kq/md 30 35 70 Sable kg/m3 760 710 620 Pierre kg/m3 1015 1025 1000 Superplas -tifiant L/m 11,3 11,4 11,2 Teneur en air % 2 2,5 3,8 Affaissement mm fluide fluide 190 Masse volumique ko/m3 2415 2440 2400

42

varié de 10,4 L/m^ à 11,3 L/m^. La teneur en air allait de 2,5% â 2,9%.

La masse volumique, quant à elle, a varié entre 2 405 kg/m et 2 430 kg/m (voir tableau 5.6).

Si nous comparons les séries de mélanges faits avec les trois

gros granulats avec fumée de silice, l 'on se rend compte du fait suivant: les mélanges ne sont pas fondamentalement différents pour un rapport E/C donné;

la teneur en air des mélanges présente certaines petites différences attnbuables à la différence de consistance des mélanges pour un rap

port E/C donné.

5.1.2 Affaissement

L'affaissement des différents mélanges n'a pas été constant. Nulle

part, il n'a été rapporté de variations des propriétés mécaniques â long

terme d'un béton dues â un surdosage en superplastifiant. C'est pour cela

que nous avons rendu fluides la plupart des mélanges pour faciliter leur

échantillonnage.

Si nous comparons les différents dosages en superplastifiants

pour un affaissement donné, l 'on se rend compte que les mélanges faits

avec le gravier ont demandé moins de superplastifiant. Cela pourrait être

attnbuable â la forme des grains de gravier. Le gravier avait des grains arrondis et lisses, le calcaire dolomitique avait des grains cubiques, tandis que le calcaire métamorphique avait des grains angulaires. L'uti lisation des fumées de silice a permis de réduire la quantité de super plastifiant nécessaire pour obtenir un affaissement donné, ce qui confirme

les remarques de Bâche [8]. Les affaissements obtenus sont présentés dans les tableaux 5.1 â 5.6.

Matériaux

utilisés

RAPPORTS EAU - CIMENT

0,27 G.PS 0,24 G.PS 0,21 G.PS Eau ^ kg/m 135 135 135 Ciment kg/m^ 480 535 585 Fumée de silice ka/m-5 30 35 70 Sable kg/m3 755 685 615 Pierre kg/m3 1030 1015 1025 Superplas-tifiant L/m^ 10,5 10,4 11,3 Teneur en air % 2,5 2,9 2,8 Affaissement mm 100 120 130 Masse volumique ka/m3 2430 2405 2425

44

5.2 Propriétés du bëton durci

Le retrait d'un béton â très haute résistance (0,36M) a été fait (voir

App. B). La courbe

= (j)(E/C) a été tracée (voir App. C).

5.2.1 Résistance en compression simple

Nous examinerons d'abord la résistance en compression simple des

bétons faits sans fumée de silice, ensuite celle des bétons contenant de la fumée de silice.

La résistance en compression simple des bétons qui ne contiennent pas de fumée de silice a été mesurée â Id, 7d, 28d, 91d et 1 an.

Dans les tableaux 5.7, 5.8 et 5.9, on remarque que la résistance en compression simple augmente lorsque le rapport E/C diminue, pour un âge donné et un affaissement donné. On remarque aussi que la résistance en

compression simple augmente avec l 'âge du béton pour un rapport E/C donné.

Ce qui est conforme aux théories actuellement en vigueur.

Pour les mélanges faits avec le calcaire dolomitique, la résistance

en compression simple la plus faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,39 â Id (22,8 MPa) et la plus forte a été obtenue pour le rapport E/C =

0,24 â 1 an (108,4 MPa) (voir tableau 5.7).

Pour les mélanges faits avec le calcaire métamorphique, nous ne

pouvons pas comparer les résistances â Id, vu le surdosage en superplas

tifiant pour les rapports E/C = 0,36 et 0,33. A 7d, la résistance la plus

faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,39 (63,9 MPa). A 1 an, la

résistance la plus forte a été obtenue pour le rapport E/C = 0,24 (96,9

MPa). Il faut aussi noter qu'à partir de 28d, les résistances obtenues

pour le rapport E/C = 0,39 sont plus élevées que celles obtenues pour le

rapport E/C = 0,36 (voir tableau 5.8).

Pour les mélanges faits avec le gravier, nous ne pouvons pas com

les rapports E/C = 0,39 et 0,24. Quant aux autres résultats, ils augmen

tent en général quand le rapport E/C diminue. C'est ainsi qu'à 7d, la

résistance la plus faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,39 (42,6

MPa) tandis qu'à un an , la plus forte résistance a été obtenue pour le

rapport E/C = 0,27 (88,7 MPa). Il faut noter que dans ce cas, à 28d, 91d

et 1 an, le béton avec le rapport E/C = 0,24 avait une résistance en com

pression inférieure à celle du béton ayant un rapport E/C = 0,27. Cela pourrait être attribuable à la teneur en air qui était nettement supérieure (voir tableau 5.9).

En ce qui concerne les mélanges contenant de la fumée de silice, la

résistance en compression simple augmente quand le rapport E/C diminue. La résistance augmente aussi avec l 'âge du béton pour un rapport E/C donné. Cependant, il faut noter qu'à Id, nous ne pouvons pas comparer les résul

tats vu le surdosage en superplastifiant pour certains mélanges. C'est

ainsi que:

- pour les mélanges faits avec le calcaire dolomitique, à Id, la résistance la plus faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,27 (61,6 MPa) et la plus forte à 1 an pour le rapport E/C = 0,21 (126,5 MPa) (voir tableau 5.10).

- Pour les mélanges faits avec le calcaire métamorphique, à 7d, la résis tance la plus faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,27 (81,3 MPa),

la plus forte à 91d (117,8 MPa) pour le rapport E/C = 0,21 (voir tableau

5.11).

- Pour les mélanges faits avec le gravier, à 7d, la résistance la plus faible a été obtenue pour le rapport E/C = 0,27 (65,9 MPa), la résistance

la plus forte a été obtenue à 91d (106,7 MPa) pour le rapport E/C = 0,21

46

Propriétés RAPPORTS EAU - CIMENT

Mécaniques 0,39 M 0,36 M 0,33 M 0,30 M 0,27 M 0,24 M Résistances Id 22,8 38,8 40,7 49,2 50,5 49,6 en 7d 52,8 65,0 67,3 74,8 76,1 82,9 compression zad 60,6 74,5 75,6 79,8 84,5 92,2 91 d 66,2 80,9 79,2 90,5 95,1 103,1 (MPa) 1 an 72,8 85,5 87,3 100,3 100,9 108,4 Résistances 7d 6,5 8,2 8,9 9,4 9,2 10,1 en 28d 6,2 6,8 8,5 9,7 10,0 n.i flexion (MPa) 91d 6,8 8,4 10,2 10,5 10,7 12,3 Modules 7d 30,5 34,6 35,0 36,8 37,1 37,3 statiques _{28d 31,6 35,4 36,2 39,9 40,0 41,7} (GPa) _{91 d 39,2 40,5 40,0 42,7 43,2 46,4} Coefficient 7d — — — — — — de 28d 0,23 0,24 0,21 0,20 0,24 0,23 Poisson 91d 0,24 0,22 0,26 0,24 0,25 0,26

Tableau 5.7 Propriétés des bétons durcis

Propriétés _{RAPPORTS EAU - CIMENT} Mécaniques 0,39 AC 0,36 AC 0,33 AC 0,30 AC 0,27 AC 0,24 AC Résistances Id 35,4 3,9 4,8 47,0 47,3 43,8 en 7d 63,9 64,5 68,2 72,7 77,9 79,1 compression 28d _{71,7 68,5 72,3 80,9 83,8 87,1} 91d 77,9 72,7 77,6 85,8 91,3 93,3 (MPa) 1 an 85,2 81,7 86,0 90,0 90,3 96,9 Résistances 7d 7,7 7,2 6,8 7,2 9,3 11,9 en _28d 8,2 7,5 _{7,8 9,7 10,7 12,3} flexion (MPa) 91d 8,1 7,4 7,5 10,3 n,2 12,6 Modules 7d 32,9 34,2 35,7 36,2 37,0 37,2 statiques 28d 34,7 36,2 37,8 38,5 39,4 39,7 (GPa) 91d 40,9 36,4 38,9 42,6 43,1 43,1 Coefficient 7d — — — — — — de 28d 0,23 0,23 0,25 0,24 0,23 0,25 Poisson 91d 0,23 0,24 0,25 0,23 0,25 0,24

Tableau 5.8 Propriétés des bétons durcis*

48

Propriétés _{RAPPORTS EAU - CIMENT}

Mécaniques 0,39 G 0,36 G 0,33 G 0,30 G 0,27 G 0,24 G Résistances Id _0,7 33,0 39,4 45,2 54,2 7,6 en 7d _{42,6 56,8 62,3 66,9 69,0 71,4} compression 28d 47,9 64,0 69,4 72,8 76,8 75,9 91d 52,4 69,8 75,7 79,9 85,2 83,4 (MPa) 1 an 61,5 76,7 80,3 84,9 88,7 84,9 Résistances _7d 4,8 6,5 7,5 8,2 9,3 10,3 en _{28d 5,9 6,7 7,9 8,9 9,7 10,7} flexion (MPa) 91d 5,9 7,2 8,4 9,0 10,9 12,0 Modules 7d 30,5 31,6 31,8 34,0 35,7 36,: statiques 28d 33,2 33,9 34,5 35,5 36,5 38,8 (GPa) 91d 35,5 35,1 35,8 37,8 36,0 37,6 Coefficient 7d — — — — — de 28d 0,20 0,20 0,20 0,20 0,22 0,25 Poisson 91d 0,20 0,22 0,20 0,22 0,22 0,23

Tableau 5.9 Propriétés des bétons durcis"

Propriétés _{RAPPORTS EAU - CIMENT} mécaniques 0,27 M.FS _{0,24 M.FS 0,21 M.FS} Résistances Id 0,5 53,1 _72,2 en 7d 61,6 _{82,5 95,5} 28d 73,3 94,0 113,8 compression 91 d 79,9 98,9 117,0 (MPa) 1 an 90,6 106,7 126,5 Résistances 7d 7,8 _{8,0 9,4} en flexion 28d 9,3 9,8 11,8 (MPa) 91d 10,1 11.2 9,2 Modules 7d 35,5 36,6 36,5 statiques 28d 42,5 42,9 43,9 (GPa) 91d _{43,5 42,9} 42,7 Coefficient 7d 0,20 0,23 0,23 de 28d 0,21 0,23 0,23 Poisson _{91d 0,23} 0,23 0,22

50

Propriétés _{RAPPORTS EAU - CIMENT}

mécaniques 0,27 AC.FS 0,24 AC.FS 0,21 AC.FS

Résistances Id _{1,1 38,1 35,6} en 7d 81,3 89,9 96,4 28d 88,9 94,6 103,3 compression 91d 104,0 113,1 117,8 (MPa) 1 an 103,2 110,6 116,5 Résistances 7d 9,8 _{9,8 10,6} en flexion 28d 10,6 _{10,6 11,3} (MPa) 91d 11,0 _{11,2 9,7} Modules 7d 38,6 _{37,6 38,9} statiques 28d 40,9 41,6 41,9 (GPa) 91d 41,2 41,5 41,7 Coefficient 7d 0,23 0,24 0,24 de 28d 0,23 0,24 0,24 Poisson _{91d 0,23} 0,24 0,24

Propriétés RAPPORTS EAU - CIMENT mécaniques 0,27 G.FS 0,24 G.FS 0,21 G.FS Résistances Id 54,0 60,0 63,6 en 7d 65,9 73,8 82,0 2Sd 77,6 81,3 94,8 compression _{91 d 88,4 93,8 106,7} (MPa) 1 an 97,1 95,4 102,7 Résistances 7d 8,6 9,2 10,4 en flexion 28d 8,6 9,3 10,2 (MPa) 91d 10,8 11,3 13,1 Modules 7d 32,9 34,2 35,5 statiques 28d 36,4 36,9 38,9 (GPa) 91d 38,9 39,1 40,4 Coefficient 7d 0,20 0,21 0,21 de 28d 0,21 0,21 0,21 Poisson _{91d 0,22 0,22 0,22}