Durabilité du béton fibré à ultra-haute performance
:
effet de la présence de microfissures sur la migration
des ions chlorure
Mémoire
Vicky Turgeon-Mallette
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Durabilité du béton fibré à ultra-haute performance
Effet de la présence de microfissures sur la migration
des ions chlorure
Mémoire
Vicky Turgeon-Mallette
Sous la direction de:
David Conciatori, directeur de recherche Luca Sorelli, codirecteur de recherche
Résumé
En Amérique du nord, la majorité des structures en béton, approchant leur n de vie, pré-sentent des conditions sévères de détérioration. Les eets combinés de cycles de gel-dégel et la présence de sel de déglaçage sont les raisons principales de dégradation des structures. De plus, la présence de ssures accélère considérablement la dégradation en orant un chemin préférentiel à la pénétration des agents agressifs. Grâce à leur grande résistance en compres-sion et leur comportement ductile en traction, leur faible perméabilité et grande résistance à la pénétration des ions chlorure, l'utilisation des bétons brés à ultra-haute performance (BFUP) est une solution de choix pour augmenter la durée de vie des structures.
Plusieurs études évaluent la durabilité du BFUP en utilisant les mêmes méthodes que pour le béton ordinaire, soit avec des échantillons de BFUP sain et les résultats de ces études con rment la durabilité exceptionnel du matériau. Cependant, en état de service, le BFUP comme le béton ordinaire présente des ssures soit en raison du retrait ou de la charge appliquée à la structure. Il est bien connu que, pour le béton ordinaire, la durabilité du matériau diminue grandement une fois ssurée au-delà d'un seuil critique. Le BFUP ayant un comportement plus ductile, il est possible de s'attendre à une meilleure durabilité que le béton ordinaire pour une même déformation. Cependant, peu d'études permettent de faire un lien direct entre la durabilité du matériau et l'ouverture des ssures du matériaux lorsqu'il est mis sous charge. Ce projet de maîtrise se divise en deux parties. La première est de faire la caractérisation de la durabilité de diérents mélanges de BFUP, disponibles au Québec. La seconde partie consiste à caractériser la résistance à la pénétration des ions chlorure pour des poutres de BFUP soumises à une charge de exion. Ces poutres présentent des micro- ssures du même ordre de grandeur qu'à l'état de service.
Pour la caractérisation de la durabilité de diérents mélanges, des informations sur la porosité des matériaux, la résistance à l'écaillage et la perméabilité aux ions chlorure sont obtenus. La perméabilité est évaluée selon un essai de migration accéléré et selon une procédure modi ée de cet essai accéléré, développée et adaptée pour les BFUP lors de précédents travaux. Les résultats con rment l'excellente durabilité des BFUP. La procédure modi ée de l'essai de migration accélérée reste di cile à mener pour des matériaux comportant des bres métalliques et es améliorations sont suggérées.
Pour l'évaluation de la perméabilité aux ions chlorure des poutres de BFUP maintenues sous charge, un montage et une méthode d'essai ont été développés et validés. L'analyse par cor-rélation d'images numériques est utilisée pour l'observation et la mesures des ouvertures des ssures. La perméabilité aux ions chlorures des poutres maintenues sous charge est évaluée par un essai de migration accélérée. Les coe cients de diusion des ions chlorures obtenus pour les poutres ssurées sont inférieures à celui de la poutre de référence non chargée. Ce ré-sultat inattendu est également observé avec les pro ls de chlorure. L'application d'un courant électrique pour l'accélération de l'essai de migration et la présence de micro- ssure pourrait être en cause. Une recherche plus exhaustive à ce sujet doit être menée pour comprendre ce phénomène.
Abstract
In North America, most of concrete structures, as they approach their lifetime design, present severe deterioration conditions. The combined eects of freeze-thaw cycles and the presence of de-icing salt are the main reasons for structural degradation. In addition, the presence of cracks considerably accelerates degradation by providing a preferential path for aggressive agents to penetrate. Thanks to their high compressive strength and ductile tensile behaviour, low permeability and high resistance to chloride ion penetration, the use of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a preferred solution to increase the service life of structures.
Several studies evaluate the durability of UHPFRC using the same methods as for ordinary concrete, i.e. with samples of sound UHPFRC and the results of these studies con rm the exceptional durability of the material. However, in service state, UHPFRC, like ordinary con-crete, exhibits cracks either due to shrinkage or load applied to the structure. It is well known that, for ordinary concrete, the durability of the material greatly decreases when cracked above a critical threshold. Since UHPFRC has a more ductile behaviour, it is possible to expect a better durability than ordinary concrete for the same deformation. However, few studies have made a direct link between the durability of the material and the opening of material cracks when loaded.
This master's project is divided in two parts. The rst part to characterize the durability of dierent UHPFRC available in Quebec. The second part consists of characterizing the resistance to chloride ion penetration for UHPFRC loaded beams. These beams have micro-cracks of the same order of magnitude as in service condition.
For the characterization of the durability of dierent UHPFRC, information on material poros-ity, scalling resistance and chloride ion permeability is obtained. Permeability is assessed ac-cording to an accelerated migration test and a modi ed procedure of this accelerated test, developed and adapted for UHPFRC in previous work. The results con rm the excellent durability of UHPFRC. The modi ed accelerated migration test procedure remains di cult to carry out for materials containing metallic bers and possible improvements are suggested. For the evaluation of the chloride ion permeability of UHPFRC beams maintained under load,
a test set-up and a method are developed and validated. Digital Image Correlation analysis is used for observing and measuring crack openings. The chloride ion permeability of beams held under load is evaluated by an accelerated migration test. This unexpected result is also observed with chloride pro les. The application of an electrical current to accelerate the migration test and the presence of micro-cracking may be the issue. A more comprehensive research is needed to understand this phenomenon.
Table des matières
Résumé ii
Abstract iv
Table des matières vi
Liste des tableaux viii
Liste des gures ix
Liste des abréviations et symboles xii
Remerciements xiv
Avant-propos xv
Introduction 1
Mise en contexte et problématique . . . 1
Objectif du mémoire . . . 2
Organisation du mémoire . . . 3
1 Revue de la littérature 4 1.1 Historique et caractéristique du BFUP . . . 4
1.2 Propriétés mécaniques et ssuration . . . 6
1.3 Durabilité . . . 8
1.4 Analyse par corrélation d'images numériques . . . 14
1.5 Revue des normes sur le BFUP . . . 15
1.6 Conclusion . . . 18
2 Méthodologie 20 2.1 Matériaux . . . 20
2.2 Plan expérimental . . . 21
2.3 Développement du nouveau montage et de l'essai de la phase 2 . . . 22
2.4 Description des procédures d'essais . . . 23
3 Résultats des essais de durabilité 33 3.1 Essai de la teneur en eau, de la densité, de l'absorption et de la porosité . . 33
3.2 Essai de résistance à l'écaillage . . . 34
4 Chloride ion permeability of Ultra High Performance Fiber Reinforced
Concrete (UHPFRC) under loading 40
Résumé . . . 40
Abstract . . . 41
4.1 Introduction. . . 41
4.2 Experimental Program . . . 44
4.3 Results and Discussion . . . 50
4.4 Conclusion . . . 57
5 Discussion des résultats 59 Conclusion 64 A Protocole de migration des ions chlorure 67 A.1 Objectif . . . 67
A.2 Matériel . . . 67
A.3 Procédure . . . 68
B Protocole de broyage d'éprouvettes 71 B.1 Objectif . . . 71
B.2 Matériel . . . 71
B.3 Procédure . . . 72
C Protocole d'extraction de chlorure 74 C.1 Objectif . . . 74
C.2 Théorie . . . 74
C.3 Matériel . . . 74
C.4 Procédure . . . 75
D Protocole de titrage pour pro l de chlore 77 D.1 Objectif . . . 77
D.2 Théorie . . . 77
D.3 Matériel . . . 77
D.4 Procédure . . . 78
E Predictions of the Micro-crack Openings for Reinforced Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete Beams 81 E.1 Introduction. . . 82
E.2 Experimental Program . . . 83
E.3 Concluding Remarks . . . 88
Liste des tableaux
1.1 Valeurs typiques de propriétés du BFUP selon la norme SIA 2052 . . . 17
2.1 Détails des essais . . . 24
2.2 Barème pour l'attribution d'une cote de la surface des plaques d'écaillage . . . 25
2.3 Perméabilité aux ions chlorure selon la charge passante . . . 26
3.1 Durée de l'essai modi é de migration accélérée pour chaque échantillon . . . 36
4.1 Information on crack width from deformation under loading with DIC analysis 53
4.2 Information on cracks with DIC analysis from the loaded beams for accelerated
chloride ions migration test . . . 54
5.1 Comparaison des résultats de coe cient de diusion de la présente étude et de
l'étude précédente menée par Provete Vincler et al. (2019) . . . 61
A.1 Préparation des solutions, pour 10L de solution . . . 68
D.1 Quantité de solution acide nécessaire pour le titrage . . . 79
E.1 Average results of crack width, in mm, obtain from dierent analytical methods
and from DIC analysis . . . 85
E.2 Average results of crack width, in mm, obtain from dierent analytical methods
Liste des gures
1.1 Comportement en compression du BFUP avec une variation dans la phase
des-cendante selon le taux de bres, le type utilisés et leur orientation. . . 7
1.2 Comportement à la traction du BFUP (a) Écrouissant (b) Peu écrouissant (c)
Adoucissant . . . 7
1.3 Fissuration du BFUP selon le comportement en traction typique . . . 8
1.4 Perméabilité en fonction de (a) la contrainte appliquée et (b) de l'ouverture de
ssure maximale . . . 9
1.5 Absorption du BFUP selon diérents eorts de traction (a) Sous charge (b)
Après chargement (c) Après chargement et autocicatrisation . . . 9
1.6 Comparaison des résultats de (a) perméabilité et (b) d'absorption selon la
lit-térature . . . 11
1.7 Module dynamique relatif en fonction des cycles de gel-dégel pour du BFUP
soumis à diérentes cures . . . 11
1.8 Pro l de chlore d'un pont en BFUP après 10 ans d'exposition . . . 12
1.9 Pro l de chlore du BFUP selon diérents eorts de traction (a) Sous charge (b)
Après chargement (c) Après chargement et autocicatrisation . . . 13
1.10 Résultats d'essais provenant de la littérature utilisant l'analyse par corrélation
d'image numérique . . . 15
2.1 Plan expérimental . . . 22
2.2 Montage pour l'essai de migration accélérée des ions chlorure sur poutre ssurée. (a) Con guration du montage maintien de la charge de exion (b) Con guration
du montage pour la migration accélérée des ions chlorure. . . 23
2.3 Essai de migration accélérée des ions chlorure. (a) Placement des anneaux de ca-outchouc et de plastique pour l'étanchéité du montage (b) Cellules de migration
et appareil d'acquisition des données . . . 26
2.4 Essai modi é de migration accélérée des ions chlorure, montage utilisé pour la
phase 1 . . . 27
2.5 Principe de la corrélation . . . 31
2.6 Analyse par corrélation d'images numériques. (a) Motif à la surface de la poutre (b) Caméra, lumières et montage pour un essai en exion suivi par CIN (vue
de derrière) . . . 31
2.7 Exemple de traitement du champ de déformation des images pour obtenir l'es-pacement et l'ouverture des ssures. (a) Carte du champ de déformation, (b) détection du centre des ssures selon le seuil d'identi cation des déformations,
3.1 Résultats de l'essai de la teneur en eau, de la densité, de l'absorption et de la
porosité . . . 34
3.2 Surface des plaques de BFUP après l'essai de résistance à l'écaillage . . . 34
3.3 Résultats de l'essai de migration accélérée selon la norme ASTM C1202 . . . . 35
3.4 Pro ls de chlore des échantillons (a) de BUP et (b) de BFUP . . . 37
3.5 Surface après broyage des échantillons ayant ssurés lors de l'essai modi é de migration accélérée . . . 38
3.6 Résultats de l'essai modi é de migration accélérée des échantillons de BUP et de BFUP (a) Comparaison des pro ls de chlore (b) Coe cients de diusion apparent. . . 39
3.7 Surface intérieure des échantillons de BUP vaporisées au nitrate d'argent. . . . 39
4.1 Experimental program . . . 45
4.2 S.1 Experimental test set-up and beam geometry for 4PBT . . . 46
4.3 S.2 Experimental test set-up and beam geometry for the loaded chloride ions migration test. Con guration of the test set-up for (a) loading (b) accelerated chloride ions migration test under a maintained load. . . 46
4.4 Example of image strain elds map processing to obtain the crack spacing and opening. (a) Strain eld map, (b) detection of the center of cracks by threshol-ding the strain elds, (c) determination of the crack spacing and opening. . . . 49
4.5 Load-de ection curve of the 4PBT characterization and identi cation of rst crack load with DIC . . . 50
4.6 Evolution of crack width during 4PBT and cracks at max. load . . . 51
4.7 Load vs. load cell displacement for the load and unload cycles and observation of the cracks with DIC at max. load and after unloading . . . 52
4.8 Evolution of crack width during load and unload cycles (a) rst cycle to 15 kN (b) second cycle to 20 kN . . . 52
4.9 Crack width evolution of a beam loaded (a) during loading and (b) with the load maintain for 3 weeks . . . 53
4.10 Observation of cracks with DIC on the loaded beams for accelerated chloride ions migration test (Table 4.2) . . . 54
4.11 Crack width evolution for the accelerated chloride ions migration test on loaded beams . . . 55
4.12 Chloride pro le . . . 57
4.13 Diusion coe cient as a function of the (a) max. crack width and (b) total crack width . . . 57
5.1 Comparaison des résultats de l'essai modi é de migration accélérée pour le matériau A pour (a) les pro ls de chlorure et (b) les coe cients de diusion . . 60
5.2 Schéma de la pénétration des ions chlorure dans le BFUP comportant des bres métalliques . . . 61
5.3 Schéma de la pénétration préférentielle des ions chlorure dans le BFUP com-portant des bres métalliques . . . 62
5.4 Schéma de la pénétration des ions chlorure dans le BFUP ssuré . . . 63
A.1 Séquence d'assemblage des éprouvettes . . . 69
A.2 Séquence d'assemblage des cellules de migration . . . 69
B.1 Croquis du broyage d'éprouvette . . . 71
B.2 Matériel d'essai pour le broyage . . . 72
B.3 Mesure de la profondeur . . . 72
C.1 Préparation du montage de ltration . . . 76
D.1 Préparation de l'appareil de titrage . . . 78
D.2 Titrage par l'utilisation de l'écran tactile de l'appareil de titrage . . . 79
D.3 Titrage par l'utilisation de l'ordinateur . . . 80
E.1 Experimental test set-up and beam geometry for 4PBT . . . 84
E.2 (a) Experimental moment-de ection curves considered in this work (with 4 points indicated) ; (b) Critical points of the force-de ection curve chosen points for crack width calculation. . . 84
E.3 (a) DIC analysis results at 4 dierent load rates of 4PBT (units are microstrain) ; (b) Photo of the microcracks visually observed by eye at the end of the test . . 85
E.4 Comparison of the experimental and theoretical values for (a) maximum crack size and (b) average crack size. . . 86
E.5 As for Mmax, number of micro-cracks for a 0.7% strain for the rst (a) and second (b) beam tested with DIC analysis . . . 87
E.6 As for Mmax, (a) average crack spacing from calculation and from experimental testing with percentage dierence between calculated values and experimental value as reference at Mmax (b) Contribution (in %) of the error of strain and crack spacing on crack width results at Mmax. . . 88
Liste des abréviations et symboles
A Ampère
AFGC Association Française de Génie Civil AgNO3 Nitrate d'argent
ASTM American Society for Testing and Materials BFUP Béton bré à ultra-haute performance BUP Béton à ultra-haute performance CSA Canadian Standards Association cm Centimètre
CIN Corrélation d'images numériques DIC Digital Image Correlation E Module d'élasticité E/L Eau/Liant
ED Eau déminéralisé
fct,el Limite d'élasticité en traction
GPa GigaPascal
g Gramme
h Heure
HCl Acide chlorhydrique HNO3 Acide nitrique
kg Kilogramme
L Litre
LVDT Linear variable displacement transducers
m Mètre
M Molaire (mol/L) mA Milliampère
MATLAB Logiciel d'environnement de programmation mm Millimètre
mol Mole
MPa MégaPascal
N Newton
NaCl Chlorure de sodium NaOH Hydroxyde de sodium
s Seconde
UHPC Ultra High Performance Concrete
UHPFRC Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete
V Volt w Ouverture de ssure ε Déformation µm Micromètre σ Contrainte Ø Diamètre W Ohm
Remerciements
Je tiens tout d'abord, mon directeur et co-directeur de recherche David Conciatori et Luca Sorelli pour leurs support et conseils tout au long du projet a n de me permettre d'atteindre mes objectifs. Je les remercie pour leur expertise partagée et disponibilité.
J'aimerai également remercier les professeurs Ahmed El Refai de l'Université Laval et Jean-Philippe Charron de l'École Polytechnique de Montréal pour avoir accepté de faire partie du jury pour l'évaluation de ce mémoire.
Je remercie Mohamed Cheikh Teguedy et Thomas Sanchez, postdoctorants à l'Université La-val, pour leur expertise respective et leur contribution à mon projet de maîtrise me permettant d'élever la qualité du travail présenté.
Merci également à toute l'équipe du laboratoire pour leur aide précieuse pour l'organisation du travail au laboratoire et leurs conseils sur tous les essais menés. Un merci particulier à René Malo, technicien du centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB), pour son aide à la réalisation du montage présenté dans ce mémoire.
J'aimerais remercier mon collègue David Bouchard, également impliqué dans le projet con é par le MTQ, pour tout le temps investit dans ce projet. Je remercie aussi tous mes collègues ayant participé de près ou de loin au projet.
Finalement, je remercie famille et amis pour leur support et encouragement tout au long de ce projet.
Avant-propos
Ce projet de maîtrise s'inscrit dans un projet de recherche demandé par le Ministère des Transports du Québec (MTQ) de se familiariser avec l'utilisation et l'application des essais de caractérisation pour le BFUP en prévision de son inclusion dans la prochaine norme CSA. Le mandat con é à l'Université Laval par le MTQ porte sur la caractérisation mécanique et l'évaluation de la durabilité de diérents mélanges de BFUP disponibles au Québec. La partie portant sur l'évaluation de la durabilité du BFUP est présentée comme première phase de ce projet de maîtrise. Une seconde partie, indépendante du projet con é par le MTQ, complète le projet. Ce mémoire est présenté sous la forme d'un mémoire par insertion d'article où un des deux chapitres de résultats (Chapitre 4) est un article, soit la seconde partie du projet. Les informations relatives à cet article sont présentées ci-dessous.
Vicky Turgeon-Mallette, Mohamed Cheikh Teguedy, Thomas Sanchez, David Conciatori, Luca Sorelli (2019). Chloride ion permeability of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) under loading. Soumission prévue à la revue Cement and Concrete Re-search.
L'article porte sur la proposition d'un montage d'essai permettant d'évaluer la perméabilité des ions chlorure pour des poutres en BFUP à l'état de servie. A n de respecter l'entente de con dentialité entre l'Université Laval et le MTQ concernant les fournisseurs des matériaux à l'étude et d'orir une cohérence des résultats obtenus tout au long du mémoire, les lettres A à D sont utilisées pour nommer les 4 mélanges de BFUP étudiés. L'article reprend cette notation également.
Introduction
Mise en contexte et problématique
En Amérique du nord, la majorité des structures en béton, approchant leur n de vie, pré-sentent des conditions sévères de détérioration. Les eets combinés de cycles de gel-dégel et la présence de sel de déglaçage sont les raisons principales de dégradation des structures. De plus, la présence de ssures accélère considérablement la dégradation en orant un chemin préféren-tiel à la pénétration des agents agressifs (Hubert et al.,2015;Wang et al.,2016;Sosdean et al.,
2016). Grâce à leur grande résistance en compression et leur comportement ductile en traction, leur faible perméabilité et grande résistance à la pénétration des ions chlorure, l'utilisation des bétons brés à ultra-haute performance (BFUP) est une solution de choix pour augmenter la durée de vie des structures. La grande durabilité du BFUP est atteinte, entre autres, par l'op-timisation de la matrice cimentaire. Composé de sable, de quartz broyé et d'ajout cimentaire tel que la fumée de silice en plus d'un faible rapport Eau/Liant, il en résulte un matériau très dense n'ayant pratiquement aucun pore capillaire (Fehling et al.,2014).
Plusieurs études évaluent la durabilité du BFUP en utilisant les mêmes méthodes que pour le béton ordinaire, soit avec des échantillons de BFUP sain. Les résultats de ces études con rment la durabilité exceptionnelle du matériau. Selon le document de recommandation de l'AFGC, la porosité à l'eau du BFUP se situe entre 1,5% et 5% et la perméabilité à l'oxygène est inférieure à 10−19 m2. Ce même document indique également que le coe cient de diusion
des ions chlorure pour le BFUP est généralement de l'ordre de 10−13 m2 (AFGC, 2013).
Selon Graybeal et Tanesi (2007) et Ahlborn et al. (2008), les résultats de pénétration des ions chlorure obtenus par des essais suivant la norme ASTM C1202 sont négligeables selon la dé nition donnée par la norme. Le BFUP présente aussi une résistance élevée au gel-dégel ainsi qu'à l'écaillage. Les échantillons de BFUP soumis à des essais de gel-dégel suivant la norme ASTM C666 présentent peu de dégradation de surface. De plus, une augmentation du module dynamique relatif (RDM) et de la masse des échantillons est généralement observée. Pour ce qui est de l'écaillage, les études réalisées démontrent que la perte de masse de surface est largement inférieure aux limites proposées par les normes (Abbas et al.,2016).
en raison du retrait ou de la charge appliquée à la structure. Il est bien connu que, pour le béton ordinaire, la durabilité du matériau diminue grandement une fois ssurée au-delà d'un seuil critique. Le BFUP ayant un comportement plus ductile, il est possible de s'attendre à une meilleure durabilité que le béton ordinaire pour une même déformation. La capacité des BFUP à contrôler et réduire l'ouverture de ses ssures a donc une grande in uence sur sa durabilité. La présence de bres est en grande partie responsable de ce comportement puisqu'elles limitent l'initiation et la propagation des ssures (Fehling et al.,2014;Afroughsabet et Ozbakkaloglu,
2015).
Malgré les avantages liés à la présence des bres, la présence de micro ssures à l'état de service diminue signi cativement l'imperméabilité du matériau, ce qui le rend plus accessible à la pénétration d'agents agressifs. La compréhension du comportement à la ssuration et des conséquences de la présence de micro ssures sur la durabilité du BFUP est essentiel pour atteindre le plein potentiel de ce matériau. Plusieurs études ont été réalisées pour connaître les diérentes caractéristiques de durabilité du BFUP. Par exemple, Charron et al. (2007) présente une étude sur le coe cient de perméabilité du BFUP en fonction de la déformation au déchargement d'un échantillon soumis à un eort de traction. Aussi,Wittmann et al.(2015) évaluent l'in uence d'une contrainte de traction sur la pénétration de chlore dans le BFUP. La concentration de chlore selon la profondeur est obtenue pour diérentes contraintes de traction. Cependant, peu d'études permettent de faire un lien direct entre la durabilité du matériau et l'ouverture des ssures du matériaux lorsque mis sous charge.
Objectif du mémoire
L'objectif du projet de maîtrise se divise en deux parties. La première est de faire la caracté-risation de la durabilité de diérents mélanges de BFUP, disponibles au Québec. La seconde partie consiste à caractériser la résistance à la pénétration des ions chlorure pour des poutres de BFUP soumises à une charge de exion. Ces poutres présentent des micro- ssures du même ordre de grandeur qu'à l'état de service.
Pour le premier objectif, les essais retenus pour caractériser la durabilité du matériau sont les suivants :
Essai de la teneur en eau, de la densité, de l'absorption et de la porosité Essai de résistance à l'écaillage
Les objectifs spéci ques de la seconde partie du projet sont les suivants :
Comprendre le comportement de ssuration du BFUP à l'état de service à l'aide de l'analyse par corrélation d'images numériques (CIN)
Proposer un montage d'essais de migration de chlore sur poutre de BFUP micro- ssurée et chargée
Évaluer la durabilité du BFUP micro- ssuré à la pénétration des ions chlorure
Organisation du mémoire
Le présent document se divise comme suit : Chapitre 1 Revue de la littérature Chapitre 2 Méthodologie
Chapitre 3 Résultats des essais de durabilité
Chapitre 4 Article : Chloride ion permeability of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) under loading
Chapitre 5 Discussion Conclusion
Bibliographie Annexes
Chapitre 1
Revue de la littérature
1.1 Historique et caractéristique du BFUP
Les informations sur le BFUP présentées dans les sections suivantes proviennent de diérentes normes et recommandations (AFGC,2013;SIA 2052;NF P18-470;ASTM C1859), publications générales sur le BFUP (Fehling et al.,2014;Graybeal,2006) ainsi que de cours universitaires sur le sujet (Conciatori,2017).
1.1.1 Historique
Le BFUP tel qu'utilisé aujourd'hui vient de plusieurs décennies de recherche visant à l'optimi-sation du béton ordinaire. Il est possible de résumer le passage du béton ordinaire au BFUP selon diérentes étapes : l'optimisation de la matrice cimentaire en maximisant la compaction, l'utilisation des bres d'acier et l'amélioration du lien à l'interface de la bre et de la matrice. Dans les années 1970, la compréhension de la réaction d'hydratation et de la structure des gels s'améliore. La résistance du béton s'élève jusqu'à 50 MPa. Ensuite, dans les années 1980, la uidité des bétons est augmentée et le rapport eau/liant (E/L) est réduit, améliorant les propriétés mécaniques. Des bétons à haute performance sont disponibles ayant des résistances entre 60 et 80 MPa. À l'aide de granulats spéciaux particulièrement ns et d'une cure spéciale, des résistances allant jusqu'à 120 MPa sont atteintes. Dans les années 1990, il y a un accroisse-ment du développeaccroisse-ment des adjuvants et de plus en plus d'ajouts ciaccroisse-mentaires sont utilisés en remplacement d'une partie du ciment. Des bétons à ultra-haute performance se distingue par leur haute densité, leur faible porosité et rapport E/L avec les propriétés des BFUP tel qu'on les connaît aujourd'hui. Finalement, à partir des années 2000, plusieurs études ont été faites pour optimiser le matériau et pour améliorer la compréhension de ses propriétés (Naaman et Wille,2012).
1.1.2 Composition
Le BFUP est un type particulier de béton, même si leur composition relève davantage des matériaux composites que des bétons traditionnels. Sa composition se base généralement sur 4 composantes diérentes, soit les matériaux cimentaires et granulaires, l'eau, les bres ainsi que les divers adjuvants. Le ratio des éléments peut varier selon les fournisseurs.
Matériau cimentaire et granulaire
Les matériaux cimentaires, souvent disponibles pré-pesés et pré-mélangés en sacs de 25 à 30 kg, se composent majoritairement de ciment et de matériau granulaire. Des ajouts cimentaires sont également présents a n d'obtenir les caractéristiques mécaniques typiques du BFUP. Ces ajouts comprennent généralement des cendres volantes, de la fumée de silice ou encore du laitier de haut-fourneau. Les matériaux granulaires sont composés de sable de quartz broyés dont la dimension maximale permise des particules est inférieure à 10 mm. Certaines normes sont encore plus restrictives quant à la dimension maximale des granulats : la norme américaine, par exemple, restreint à 5 mm la dimension maximale.
Eau
L'eau est utilisée de façon beaucoup plus réduite dans le BFUP comparativement au béton ordinaire. Des rapports E/L de 0,2 ou moins sont généralement visés pour du BFUP, alors que des ratios E/L de 0,42 sont communs dans la confection des bétons ordinaires. Des mélanges eau-glace sont aussi parfois utilisés a n de diminuer l'élévation de la température du mélange lors du malaxage, principalement par temps chaud (Resplendino,2004).
Fibres
Les bres ont une grande in uence sur les propriétés mécaniques et la durabilité du BFUP. En eet, à la ssuration du matériau, les bres contribuent à reprendre les eorts appliqués au matériau ce qui permet d'obtenir un comportement ductile en plus d'augmenter la résistance à la traction du matériau. De plus, les bres permettent un meilleur contrôle de la ssuration en limitant l'ouverture des ssures par la présence de plusieurs micro- ssures plutôt qu'une seule ssure localisée. Les bres incorporées dans le mélange, lors du malaxage, peuvent se composer d'acier ou de matières polymères (PVA, bres de carbone). Les dimensions et caractéristiques mécaniques des bres varient également selon les fournisseurs de BFUP. La longueur moyenne des bres utilisées pour le BFUP se situe entre 12 et 15 mm, mais certains BFUP utilisent des bres d'une longueur supérieure à 15 mm. Pour un même mélange, diérents types de bres peuvent être utilisés.
Adjuvants
Plusieurs adjuvants diérents peuvent entrer dans la composition du BFUP selon les propriétés recherchées du matériau nal. Étant donné la faible quantité d'eau utilisée, un réducteur d'eau à grande portée (superplasti ant) est généralement ajouté.
1.2 Propriétés mécaniques et ssuration
Le BFUP est un matériau reconnu pour sa très grande résistance à la compression, autant au jeune âge qu'à maturité. Selon les diérentes normes nationales en vigueur à ce jour, une résistance minimale de 120 MPa à 28 jours est nécessaire a n de catégoriser le matériau comme un BFUP. La résistance peut également s'élever à plus de 200 MPa selon le type de cure. Au jeune âge (de 4 à 7 jours), la résistance est aussi généralement très élevée, soit entre 70 et 90 MPa. Les bres d'acier présentes dans le matériau ont très peu d'in uence sur la résistance à la compression. Cependant, elles modi ent grandement le comportement post-pic du matériau. En eet, les bres permettent d'obtenir un comportement ductile plutôt qu'une rupture fragile, comme c'est le cas pour le béton ordinaire en traction. Le module de Young du BFUP se situe généralement entre 45 et 55 GPa. Comme pour la résistance à la compression, la présence de bres n'a pas une in uence signi cative sur la valeur du module de Young (Fehling et al., 2014). La Figure 1.1 illustre la variation du comportement à la compression avec la présence de bres.
L'utilisation de bres permet également d'augmenter la résistance à la traction directe. Celle-ci se situe entre 6 et 10 MPa avec un comportement ductile dans la phase de ssuration. Le type de bres, de même que la quantité présente dans le matériau et son orientation par rapport aux eorts de traction, ont une in uence importante dans le comportement à la traction du matériau. Trois types de comportements à la traction directe sont généralement observés et décrits dans la recommandation de l'AFGC : un comportement écrouissant, résultant d'un béton fortement bré, un comportement peu écrouissant, correspondant à une forte proportion des BFUP actuellement disponible, et un comportement adoucissant, pour des matériaux peu brés ou dont les bres sont moins e caces (AFGC,2013). La Figure1.2illustre les variations dans le comportement à la traction du BFUP.
En plus d'améliorer le comportement post-pic du matériau, les bres ont aussi une in uence sur le mode de ssuration du BFUP soumis à des eorts de traction. En eet, contrairement au béton ordinaire où une seule ssure localisée apparaît à l'atteinte de la résistance maximale du matériau, de multiples micro- ssures se forment à l'atteinte de la limite élastique en traction jusqu'à la résistance maximale où il y a localisation d'une ssure. Le patron de ssuration selon le comportement à la traction du BFUP est présenté à la Figure 1.3.
pré-Figure 1.1 Comportement en compression du BFUP avec une variation dans la phase descendante selon le taux de bres, le type utilisés et leur orientation. Traduction libre de
Fehling et al. (2014)
Figure 1.2 Comportement à la traction du BFUP (a) Écrouissant (b) Peu écrouissant (c) Adoucissant (AFGC,2013)
sence limitent la propagation de la ssure et donc leur ouverture. À titre de comparaison, pour une même déformation, le béton ordinaire présentera une seule ssure ayant une ouverture donnée tandis que le BFUP présentera plusieurs micro ssures dont la somme des ouvertures correspond à l'ouverture de l'unique ssure du béton ordinaire. Ce comportement présente de grands avantages en ce qui à trait à la durabilité puisqu'en limitant l'ouverture des s-sures, l'accès des agents agressif dans le béton d'enrobage est également limité sachant que la perméabilité est proportionnelle au cube de l'ouverture de ssure (Wang et al.,1997).
Figure 1.3 Fissuration du BFUP selon le comportement en traction typique (Russell et Graybeal,2013)
1.3 Durabilité
Cette section présente diérentes études et résultats portant sur la durabilité du BFUP sain et ssuré a n de mettre en évidence l'impact des micro- ssures sur la durabilité du matériau. La perméabilité, l'absorption, la résistance aux cycles de gel-dégel, à l'écaillage et à la pénétration des ions de chlore seront présentées.
1.3.1 Perméabilité à l'eau et absorption
Il est généralement accepté que l'absorption capillaire et la diusion d'humidité sont les mo-dèles décrivant les plus importants mécanismes tel que la pénétration et la migration de l'eau dans le béton. Ces mécanismes ont une grande importance sur la durabilité d'un béton puisque c'est de cette façon que les agents agressifs peuvent pénétrer dans le béton et endommager la matrice cimentaire ou les aciers d'armature.
Une étude de Charron et al. (2007) permet d'estimer le coe cient de perméabilité à l'eau pour des échantillons de BFUP soumis à diérents eorts de traction. À titre de référence, le coe cient de perméabilité du BFUP non ssuré est inférieur à la limite de détection de l'appareil utilisé dans l'étude, soit inférieur à 1 × 10−10cm/s. Les résultats obtenus sont
pré-sentés en fonction de la déformation des échantillons au déchargement. L'étude conclu que la perméabilité reste faible, soit inférieure à 1,1 × 10−7 cm/s jusqu'à une déformation de 0,13%.
Cette déformation correspond à une ouverture de ssure cumulée de 0,13 mm. Une étude semblable a été réalisé parLepech et Li(2009) avec des échantillons de BFUP présentant des déformations entre 0 et 3%. Les coe cients de perméabilité obtenus restent faibles pour les diérentes déformations imposées. Pour le BFUP non ssuré, le coe cient de perméabilité obtenu est d'environ 8 × 10−12 m/s. À 3% de déformation, correspondant à une ouverture de
ssure maximale de 60 µm, le coe cient de perméabilité est d'environ 7 × 10−10m/s.Hubert
et al. (2015) étudie également la perméabilité du BFUP pour diérents taux de déformation en traction. Les résultats de la perméabilité sont présentés en fonction de la contrainte appli-quée et de l'ouverture de ssure maximale (Figure 1.4). La perméabilité du BFUP reste faible même sous des contraintes en traction élevées puisque les ssures se multiplient plutôt que de s'ouvrir ce qui permet d'obtenir une ouverture de ssure maximale beaucoup plus petite que les autres matériaux à l'étude.
Figure 1.4 Perméabilité en fonction de (a) la contrainte appliquée et (b) de l'ouverture de ssure maximale (Hubert et al.,2015)
Figure 1.5 Absorption du BFUP selon diérents eorts de traction (a) Sous charge (b) Après chargement (c) Après chargement et autocicatrisation (Wittmann et al.,2015)
Le coe cient d'absorption du BFUP non ssuré a été trouvé inférieur à 0,044 kg/m2/h0, 5 par
Franke et al. (2008). Des résultats légèrement inférieurs ont également été trouvés par Roux et al. (1996). Une étude de Wittmann et al. (2015) évalue l'absorption capillaire pour des échantillons de BFUP sous charge(i), après chargement (ii) et après chargement (iii) avec une cure supplémentaire pour permettre l'autocicatrisation du matériau. L'absorption capillaire est évaluée pour des eorts de traction correspondant à 30, 50 et 80% de la résistance à la traction maximale du matériau testé. Dans tous les cas, une augmentation marquée de
l'absorption d'eau est notée lorsque l'eort de traction passe à 80% de la résistance à la traction maximale (Figure 1.5). Le coe cient d'absorption pour l'échantillon de référence qui n'est soumis à aucun eort de traction est d'environ 0,008 kg/m2/h0, 5. Pour les échantillons
soumis à un eort de traction équivalent à 80% de leur résistance à la traction maximale, les coe cients d'absorption pour le cas sous charge (i), après chargement (ii) et après chargement avec autocicatrisation (iii) sont respectivement d'environ 0,13 kg/m2/h0, 5, 0,09 kg/m2/h0, 5
et 0,06 kg/m2/h0, 5, ce qui est plus rapide que pour un BFUP non ssuré.
Les résultats mentionnés dans cette section de la perméabilité en fonction de la déformation et ceux de l'absorption en fonction du ratio de la résistance à la traction sont représentés dans la Figure 1.6 pour permettre la comparaison des diérentes études. Selon les résultats obtenus parCharron et al. (2007), la perméabilité du matériau augmente rapidement lorsque la déformation en traction augmente alors que selon Lepech et Li (2009), la perméabilité du matériau est supérieure à la première étude mais reste constante pour une augmentation des déformations. Il est précisé que les ouvertures de ssures obtenues par Lepech et Li (2009) restent relativement constantes pour les diérents taux de déformations, seul leur nombre augmente. Dans ce cas, puisque la perméabilité du matériau ssuré obtenue est semblable à la perméabilité du matériau non ssuré, les ssures ont peu d'in uence sur la perméabilité et c'est plutôt la perméabilité du matériau qui domine. Pour ce qui est des résultats deCharron et al.
(2007), l'augmentation marquée de la perméabilité en fonction de la déformation indique que la présence des ssures joue un rôle plus important sur la pénétration de l'eau dans le matériau. La comparaison de ces résultats permet de constater que le comportement en traction du matériau a une in uence sur sa perméabilité. Pour ce qui est des coe cients d'absorption, la comparaison des résultats provenant de la littérature permet de constater que, jusqu'à une déformation en traction de 50% de la résistance maximale à la traction, les coe cients sont du même ordre de grandeur. Une nette augmentation est notée pour une déformation correspondant à 80% de la résistance maximale à la traction.
1.3.2 Résistance au gel-dégel et à l'écaillage
La faible porosité du BFUP lui confère une résistance accrue à des cycles de gel-dégel et d'écaillage et peu de dégradation est visible après plus de 800 cycles de gel-dégel (Abbas et al.,2016). SelonGraybeal et Tanesi(2007), le BFUP présente une augmentation du module dynamique relatif allant jusqu'à 10% après 700 cycles et une augmentation de la masse des échantillons d'environ 0,2% par 125 cycles. Cette augmentation de masse s'explique par le fait que le BFUP absorbe de l'eau au cours de l'essai ce qui permet aux particules de ciment anhydre de s'hydrater. La même étude présente la résistance à l'écaillage du BFUP et conclut qu'aucun écaillage n'est visible après 95 cycles. Les résultats de résistance aux cycles de gel-dégel obtenus selon cette étude sont présentés à la Figure 1.7.
Figure 1.6 Comparaison des résultats de (a) perméabilité et (b) d'absorption selon la littérature
Figure 1.7 Module dynamique relatif en fonction des cycles de gel-dégel pour du BFUP soumis à diérentes cures (Graybeal et Tanesi,2007)
NaCl entraînerait une perte de masse inférieure à 0,3 kg/m2 après 112 cycles. Une valeur
limite généralement acceptée pour cet essai est de 2 kg/m2. Cependant,Van Zijl et Wittmann
(2010) notent une perte de masse de 2,2 kg/m2 après 28 cycles à la suite d'un essai de gel-dégel
en présence d'une solution de NaCl dont la valeur limite d'acceptabilité est de 1,5 kg/m2.
Finalement, Palecki et Setzer (2008) obtiennent une perte de masse de 0,591 kg/m2 après
112 cycles pour le même genre d'essai. Cette même étude évalue également l'in uence d'une détérioration interne du matériau sur sa résistance au gel-dégel en présence de NaCl. Pour ce faire, les échantillons de BFUP subissent une cure spéciale, soit un traitement thermique suivi d'un refroidissement modéré jusqu'à 20◦C ou rapide jusqu'à 8◦C, avant d'être testés. Dans
tous les cas, le module dynamique relatif diminue après quelques cycles de gel-dégel. Pour les échantillons refroidis rapidement, le module dynamique relatif est d'environ 75% après 4 cycles de gel-dégel seulement. Des échantillons n'ayant pas subi de cure spéciale servent de référence et ceux-ci ne présentent pas de diminution de leur module dynamique relatif.
Plusieurs essais diérents existent pour caractériser la résistance aux cycles de gel-dégel et à l'écaillage. Il est donc di cile de comparer les résultats obtenus des études de la littérature quant à la résistance du BFUP sur ces aspects.
1.3.3 Résistance à la pénétration des ions chlorure
La résistance à la pénétration des ions chlorure est un indice important pour la durabilité du béton. Cette résistance peut être caractérisée par la profondeur du front de chlore, par un coe cient de diusion des ions chlorure ou par une charge électrique (en Coulombs) pouvant passer au travers du matériau en présence de chlore. Selon, une étude réalisée par Graybeal et Tanesi (2007), la pénétration des ions chlorure mesuré selon la normeASTM C1202serait négligeable étant donné la faible charge électrique ayant traversé les échantillons, soit inférieur à 360 Coulombs. Des résultats semblables sont obtenus par Ahlborn et al. (2008). Une autre étude conclut que le front de chlore se trouve dans les premiers 2-3 mm et que le coe cient de diusion est d'environ 2 × 10−13 m2/s (Piérard et al., 2012). Cependant, des échantillons
exposés à un environnement marin pendant 15 ans présentent un front de chlore à une profon-deur allant jusqu'à 10 mm (Thomas et al.,2012). Aussi, une étude par (Denarié et Brühwiler,
2015) présente des pro ls de chlore d'un pont en BFUP après 10 ans d'exposition (Figure1.8). Les fronts de chlore obtenus se limitent également aux premiers 10 mm.
Figure 1.8 Pro l de chlore d'un pont en BFUP après 10 ans d'exposition (Denarié et Brühwiler,2015)
Wittmann et al. (2015) évaluent l'in uence d'une contrainte de traction sur la pénétration de chlore dans le BFUP. Les échantillons sont testés en leur imposant des eorts de traction correspondant à 30, 50 et 80% de leur résistance à la traction maximale. La concentration de chlore en fonction de la profondeur est obtenue pour des échantillons de BFUP en chargement (i), après chargement (ii) et après chargement et autocicatrisation (iii) (Figure 1.9). Dans tous les cas, lorsque la contrainte de traction passe à 50%, une nette augmentation de la concentration en chlore pour une même profondeur est notée. Le cas de l'échantillon testé sous chargement est le plus critique pour la pénétration de chlore tandis que celui après chargement et autocicatrisation est le cas où le moins de chlore pénètre dans le matériau.
Figure 1.9 Pro l de chlore du BFUP selon diérents eorts de traction (a) Sous charge (b) Après chargement (c) Après chargement et autocicatrisation (Wittmann et al.,2015)
Une autre étude de Sahmaran et al. (2013) caractérise la résistance à la pénétration des ions chlorure en fonction de la charge électrique en Coulombs. Les échantillons de BFUP testés pré-sentent des déformations de 0,75, 1,00 et 1,25 mm sous des contraintes de traction puis sont soumis à diérentes cures supplémentaires (dans l'air, dans l'eau et à des cycles de mouillage-séchage) a n de connaître l'in uence de l'autocicatrisation. Les échantillons ne présentant aucune déformation ont une perméabilité à la pénétration des ions chlorure correspondant à environ 2000 Coulombs tandis que ceux ayant une déformation de 1,25 mm ont une perméa-bilité correspondant à environ 3500 Coulombs sans cure additionnelle. Après 60 jours de cure additionnelle pour les échantillons de BFUP ayant une déformation de 1,25 mm, la charge électrique mesurée est d'environ 2200 Coulombs pour la cure dans l'air, 1500 Coulombs pour la cure dans l'eau et 1700 Coulombs pour la cure par cycles de mouillage-séchage. Finalement,
Lee et al. (2014) évaluent le coe cient de diusion des ions chlorure pour des échantillons de BFUP ayant subi des déformations en compression sous diérentes charges allant jusqu'à 85% de la résistance à la compression. Dans tous les cas, le coe cient de diusion des ions chlorure reste inférieur à 40 × 10−12 m2/s.
1.4 Analyse par corrélation d'images numériques
La technique d'analyse par corrélation d'images numériques (CIN) est une méthode de mesure en continu, sans contact avec le matériau et non destructive. Cette méthode permet une estimation précise de la déformation et peut détecter l'initiation d'une ssure avant que celle-ci ne soit visible. La déformation du matériau est obtenue en comparant une image déformée à une image de référence. Le déplacement des points, ou pixels, de l'image de référence à l'image déformée permet d'obtenir le champ de déformation pour l'ensemble de la surface à l'étude (Brémand et al., 2011). Contrairement aux méthodes de mesures classiques tel que les LVDTs et les extensomètres qui permettent seulement une mesure ponctuelle, l'analyse par CIN permet d'obtenir le champ de mesures complet d'une surface à l'étude. Les mesures ne sont donc pas limitées par la position et l'alignement de l'appareil. Ainsi, cette technique est particulièrement intéressante pour des applications où une zone étendue est à l'étude. Par exemple, pour observer et mesurer les ouvertures de ssures dans un béton bré où il se produit de la multi ssuration, les méthodes de mesures classiques ne sont pas su santes puisqu'elles ne permettent pas d'obtenir des informations sur chaque ssure.
Plusieurs études ont utilisé l'analyse par CIN avec succès comme méthode de mesures. Pour le béton, cette méthode d'analyse a été utilisée pour comprendre les propriétés de rupture à l'interface béton-béton d'une poutre (Shah et Chandra Kishen, 2011) et la propagation des ssures pour une poutre en exion (Fayyad et Lees,2017). Pour les bétons renforcés de bres et BFUP, des études ont été menées pour comprendre le comportement en cisaillement du matériau (Gali et Subramaniam, 2017), mesurer les ouvertures et espacements des ssures d'une poutre en exion ainsi (Hamrat et al., 2016) que l'eet du sens de la coulée sur les propriétés mécaniques d'une dalle (Baril et al., 2016). La Figure 1.10 présente des exemples de résultats pouvant être obtenus avec l'analyse par CIN.
Figure 1.10 Résultats d'essais provenant de la littérature utilisant l'analyse par corrélation d'image numérique
1.5 Revue des normes sur le BFUP
Le développement continuel de la recherche sur le BFUP a mené à la publication de diérents documents de références et recommandations. Ces documents ainsi que l'expérience acquise ont permis l'élaboration de normes a n d'encadrer l'utilisation du BFUP pour des structures de génie civil. Diérentes dé nitions sur ce qu'est un BFUP sont proposées et une disparité est également notée en ce qui concerne les essais de caractérisation. Également, seulement certaines normes proposent des méthodes de dimensionnement pour le BFUP.
Les normes européennes sont majoritairement inspirées du document de recommandations sur le BFUP publié par l'Association Française de Génie Civil (AFGC,2013). La norme française comporte trois documents portant sur le BFUP, deux sont publiés en 2016 et un dernier en 2018. Le premier porte sur les règles spéci ques pour le calcul des structures en BFUP et complémente l'Eurocode 2 (NF P18-710), tandis que le second porte sur la spéci cation, la performance, la production et la conformité des BFUP (NF P18-470). Le dernier document, porte sur l'exécution des structures en BFUP (NF P18-451). La norme française dé nit le BFUP comme étant des bétons dont la dimension nominale supérieure du plus gros granulat
est inférieure ou égale à 10 mm, utilisant des bres métalliques ou non métalliques et ayant une densité entre 2200 kg/m3et 2800 kg/m3. Le BFUP doit présenter, à 28 jours, une résistance à la
compression supérieure à 130 MPa, une valeur caractéristique de limite d'élasticité en traction supérieure à 6 MPa et un comportement ductile en traction. Le BFUP doit également satisfaire à des exigences quant à la durabilité. La porosité à l'eau doit être inférieure à 9%, le coe cient de diusion des ions chlorure à 90 jours inférieur à 0,5 × 10−12 m2/s et la perméabilité aux
gaz à 90 jours inférieure à 9 × 1019 m2. La norme NF P18-470 donne des précisions pour les
essais suivants :
Détermination de la résistance à la compression Détermination du module de Young
Détermination du coe cient de poisson
Essai de résistance à la exion 4 points sur prismes
Essai de résistance à la exion 3 points sur prismes entaillés Essais de résistance à la exion sur plaques minces
Détermination des facteurs d'orientation des bres K Essais de résistance à l'abrasion hydraulique
Mesure du coe cient de diusion des ions chlore Mesure de la perméabilité apparente aux gaz
Une norme suisse portant sur le dimensionnement et l'exécution des structures comportant des éléments en BFUP est également disponible (SIA 2052). Le Tableau1.1présente les propriétés des BFUP tel que dé ni par la norme. La normeSIA 2052donne des indications pour les essais suivants :
Résistance à la compression Module de Young
Comportement à la traction
Essai de résistance à la traction par exion Essai d'absorption d'eau
Une norme américaine est publiée en 2017 et porte sur la fabrication et l'essai en laboratoire du BFUP (ASTM C1859). Le BFUP y est dé ni comme un matériau ayant des granulats dont la dimension nominale maximale est inférieure à 5 mm, une résistance en compression supérieure à 120 MPa et un étalement entre 200 et 250 mm. La norme ASTM C1859 donne des indications pour les essais suivants :
Résistance à la compression Module de Young
Table 1.1 Valeurs typiques de propriétés du BFUP selon la norme SIA 2052
Propriété Désignation Valeur typique (à 28 jours) Module d'élasticité (traction/compression) EU 40 60 GPa
Coe cient de Poisson νu 0,2
Résistance à la compression fU c 120 200 MPa
Résistance limite élastique à la traction fU te 7 12 MPa
Résistance à la traction fU tu 7 15 MPa
Déformation lorsque la résistance à la trac-tion est atteinte (écrouissage)
εU tu 0 3,5
Énergie spéci que de rupture GF U 15 25 kJ/m2
Coe cient de dilatation thermique αU 10−5/◦C
Valeur nale du retrait εU s∝
sans traitement thermique : 0,6 0,8
avec traitement thermique : 0
Coe cient nal de uage εU ∞
sans traitement thermique : 1,5 (to = 7jours) ;
0,8 1,0 (to= 8 jours)
avec traitement thermique : 0,2 0,4
Masse volumique du BFUP durci ρU 2300 - 2700 kg/m3
Fluage en compression Résistance à la exion Résistance à l'abrasion
Résistance aux cycles de gel-dégel
Au Canada, une nouvelle édition de la norme CSA A23.1-14/A23.2-14 portant sur la normali-sation des matériaux et méthodes de construction et d'essais pour le béton est en préparation. Une annexe pour le BFUP est ajoutée dans cette nouvelle édition. Selon la version de la norme rendue disponible pour la révision, le BFUP est dé ni comme un matériau contenant des bres et ayant des granulats d'un diamètre inférieur à 0,6 mm ainsi qu'une résistance minimale à la compression de 120 MPa. L'annexe sur le BFUP de la nouvelle édition de la norme CSA A23.1-14/A23.2-14 donne des indications pour les essais suivants :
Résistance à la compression
Résistance à la traction par exion
Module de Young et coe cient de Poisson Résistance à l'abrasion
Résistance à l'écaillage Absorption
Résistance à la pénétration des ions chlore Résistance aux sulfates
Fluage en compression Retrait
Coe cient d'expansion thermique
1.6 Conclusion
Plusieurs années de recherches ont permis de mieux identi er et comprendre les propriétés du BFUP. Diérentes recommandations ont été publiées quant à l'utilisation de ce matériau, puis des normes ont été élaborées selon ces recommandations et les connaissances acquises par la recherche. Les normes sur le BFUP disponibles présentent peu de diérence en ce qui a trait aux propriétés mécaniques et leur caractérisation. Pour ce qui est de la durabilité, il est di cile de noter une uniformité dans les essais et spéci cations du matériau selon les diérentes normes.
La revue de la littérature sur la durabilité du BFUP permet de conclure que ce matériau a une excellente durabilité, de loin supérieure au béton ordinaire. Même endommagé, le matériau reste performant en ce qui concernent la durabilité grâce à la présence de plusieurs micro- ssures plutôt qu'une seule ssure localisée. Cependant, comme c'est le cas pour les normes sur le BFUP, les méthodes d'essais présentes dans la littérature pour évaluer la durabilité sont très variées et il est di ciles de comparer les résultats obtenus. Le lien entre la durabilité du BFUP sain et ssuré est donc complexe à établir à partir des résultats provenant de diérentes méthodes d'essais.
Plusieurs études ont été menées pour quanti er la durabilité du BFUP en fonction d'une certaine déformation ou force de traction, mais peu d'études font le lien entre la durabilité et les ouvertures des ssures. Sachant que les ssures sont la porte d'entrée à l'eau et agents agressifs, il est important de connaître l'eet des ouvertures de ssures sur la durabilité. Il est par contre plus di cile d'observer et quanti er les ouvertures de ssures pour le BFUP en raison de la multi ssuration de ce matériau. Les nouvelles techniques de mesures telle que l'analyse par corrélation d'images numériques orent cependant de nouvelles perspectives pour ce domaine de recherche, puisque cette analyse permet d'obtenir un champ de mesure de déformation précis et en continu.
Chapitre 2
Méthodologie
Ce chapitre présente les diérentes étapes du programme de recherche nécessaire à l'atteinte de l'objectif du projet. Pour ce faire, deux phases sont nécessaires : (1) la caractérisation de la durabilité de diérents mélanges de BFUP disponibles au Québec et (2) l'in uence de la présence de micro ssures sur la résistance à la pénétration des ions chlorure. Les sections suivantes présentent donc les matériaux utilisés, le plan expérimental pour les deux phases ainsi qu'une description des procédures d'essais utilisées.
2.1 Matériaux
Pour la phase 1 du projet, 4 mélanges de BFUP sont étudiés. Ces mélanges proviennent de diérents fournisseurs et sont notés BFUP A, B, C et D dans ce rapport a n de garantir la con dentialité des résultats obtenus. Pour chacun des mélanges étudiés, des échantillons à 2%vol de bres et sans bre (BUP) sont coulés. Les échantillons sont démoulés dans les 24h suivant la coulée puis placés dans une chambre à 100% d'humidité relative jusqu'au moment de l'essai. Pour la phase 2, seul le BFUP-A est étudié contenant 2%vol de bres en acier in-oxydable. Les échantillons sont démoulés dans les premières 24h puis placés dans une chambre à 100% d'humidité relative jusqu'à 7 jours avant d'être submergés pour subir un traitement thermique à 40◦C pendant 7 jours. Le traitement thermique permet d'obtenir des propriétés
mécaniques similaire à une cure de 28 jours dans une chambre à 100% d'humidité relative. Pour les deux phases, et à moins d'indication contraire du fournisseur, la procédure suivie pour la préparation du matériau est la suivante :
1. Malaxage à sec du mélange, environ 5 minutes 2. Ajout de l'eau et du superplasti ant
3. Malaxage jusqu'à ce que le mélange devienne uide puis ajout des bres 4. Malaxage, 5 minutes
Pour tous les essais, la méthode de fabrication des échantillons suivie est celle prescrite par la norme ASTM C1859, indépendamment de ce que les normes spéci ques aux essais considérée indiquent.
2.2 Plan expérimental
La phase 1 du projet consiste à caractériser la durabilité des 4 mélanges de BFUP. Les essais sont les suivants (Figure 2.1) :
1. Essai de la teneur en eau, de la densité, de l'absorption et de la porosité selon la norme
CSA A23.1-14/A23.2-14
2. Essai de résistance à l'écaillage selon la norme BNQ 2621-905
3. Essai de migration accélérée des ions chlorure selon la norme ASTM C1202
4. Essai modi é de migration accélérée ions chlorure
En plus des indications sur la méthode de préparation du matériaux, les indications de la norme ASTM C1859sur la fabrication et la mise à l'essai du BFUP sont également prises en considération pour les essais concernés.
La phase 2 du projet du projet consiste à caractériser la durabilité du BFUP sous conditions ssurées et chargées. Pour rappel, tous les échantillons sont des recettes confectionnées du BFUP-A contenant des bres en acier inoxydable. Les bres en acier inoxydable sont utilisées a n d'éviter la corrosion de celle-ci lors des essais de migration des ions chlorure. Les essais réalisés sont les suivants (Figure 2.1) :
1. Essai de résistance à la compression selon la norme ASTM C39
2. Essai de détermination du module élastique selon la norme ASTM C469
3. Essai de résistance à la exion par un essai à 4 points 4. Évaluation de la fermeture des ssures à la décharge
5. Évaluation de l'évolution des ouvertures des ssures d'une poutre maintenue sous charge 6. Essai modi é de migration des ions chlorure d'une poutre maintenue sous charge. Les essais sont présentés de façon plus détaillée dans la section Description des procédures d'essais.
Figure 2.1 Plan expérimental
2.3 Développement du nouveau montage et de l'essai de la
phase 2
Un montage a été développé permettant de garder la poutre sous charge de exion et de réaliser l'essai de migration accéléré. Deux grandes étapes sont nécessaires, la première permet le chargement d'une poutre en exion et de la maintenir sous sa condition chargée et la seconde pour l'essai de migration accélérée des ions chlorure. Les détails de ce montage sont présentés dans la gure 2.2. Les poutres testées ont une longueur de 400 mm, une largeur de 100 mm et une épaisseur de 50 mm. Ces dimensions correspondent aux dimensions standards pour un essai de résistance à la exion à 4 points (ASTM C1609), avec une modi cation de l'épaisseur pour correspondre aux dimensions des cylindres d'un essai de migration accélérée des ions chlorure.
Pour représenter l'état de service du matériau, la charge nécessaire à appliquer sur les poutres pour les essais de migration accélérée doit se situer entre l'apparition de la première ssure et avant la localisation d'une ssure, identi é comme l'intervalle de micro- ssuration. A n d'obtenir cet intervalle, la caractérisation des propriétés mécaniques est d'abord eectuée par des essais de résistance à la compression, de module élastique et de résistance à la exion. Le comportement à la ssuration du matériau est évalué grâce à l'analyse par CIN (1.4). Les essais de résistance à la exion, combinés à l'analyse par CIN, permettent de connaître la charge à la première ssuration et celle à la localisation d'une ssure et ainsi d'identi er les taux de chargement correspondant à l'intervalle de micro- ssuration. Dans l'intervalle de
Figure 2.2 Montage pour l'essai de migration accélérée des ions chlorure sur poutre ssurée. (a) Con guration du montage maintien de la charge de exion (b) Con guration du montage pour la migration accélérée des ions chlorure
micro- ssuration, les poutres sont soumises à un cycle de charge-décharge a n de visualiser et mesurer l'ouverture et la fermeture des ssures. Finalement, une poutre est chargée et maintenue sous charge par le montage développé pour cet essai (Figure 2.2a) et analysée par CIN sur une période de trois semaines a n d'observer l'évolution temporelle des ouvertures des ssures.
Diérents taux de chargement se situant dans l'intervalle de micro- ssuration sont choisis pour les essais de migration accélérée sur poutres de BFUP micro- ssurées sous condition chargée (Figure 2.2b).
2.4 Description des procédures d'essais
La présente section détaille les procédures d'essais nécessaires à la réalisation du plan expéri-mental. Le Tableau2.1 présente un résumé de ces essais.
2.4.1 Essai de la teneur en eau, de la densité, de l'absorption et de la porosité
La procédure de l'essai pour obtenir la teneur en eau, la densité, l'absorption et la porosité des diérents mélanges de BFUP est basée sur la norme CSA A23.2-11C. L'essai est eectué sur des cylindres ayant un diamètre de 100 mm et une hauteur de 50 mm. Pour chaque mélange, trois échantillons sont testés. L'essais consiste à eectuer plusieurs pesées des échantillons sous diérentes conditions. La première masse (I) est prise à la n des 28 jours de la cure humide dans une chambre à 100% d'humidité relative. Les échantillons sont ensuite placés dans une
Table 2.1 Détails des essais
Essais Échantillons Dimensions Phase 1
Absorption 3x BFUP A, B, C et D Cylindre Ø100x50mm Écaillage 2x BFUP A, B, C et D Plaque 330x230x75mm Migration accélérée 2x BUP A, B, C et D Cylindre Ø100x50mm Migration accélérée modi ée 2x BUP A, B, C et D2x BFUP A, B, C et D Cylindre Ø100x50mm
Phase 2
Compression 7x BFUP A inox. Cylindre Ø75x150mm Module élastique 2x BFUP A inox. Cylindre Ø100x200mm Flexion 3x BFUP A inox. Poutre 400x100x50mm Charge-Décharge 1x BFUP A inox. Poutre 400x100x50mm Maintient sous charge 1x BFUP A inox. Poutre 400x100x50mm Migration accélérée modi ée 5x BFUP A inox. Poutre 400x100x50mm chambre à température et humidité contrôlées à 23±2◦Cet 50±5% respectivement. La masse
des échantillons est notée après 28 jours de conditionnement, puis à tous les 7 jours jusqu'à ce que la variation entre deux masses consécutives soit inférieure à 0,5%. La dernière masse obtenue est notée G. Les échantillons sont ensuite séchés dans un four à une température de 110±5◦C pendant 48h, refroidis dans la chambre à température et humidité contrôlées puis
pesés. Les étapes précédentes sont répétées jusqu'à ce que la variation entre deux masses consécutives soit inférieure à 0,5% de la plus petite masse pesée, notée A. Les échantillons sont alors submergés dans l'eau à une température de 23±2◦C pendant 24h avant d'être
pesés a n d'obtenir la masse B. Finalement, les échantillons sont placés dans un récipient et couverts d'eau pour être bouilli pendant 5h. Ils sont ensuite refroidis pendant au moins 14h pour atteindre une température de 23±2◦C. L'excédent d'eau à la surface des échantillons est
séchée avant la pesée (masse C). Une pesée dans l'eau est également eectuée a n d'obtenir la masse D.
Les calculs suivants permettent d'obtenir la teneur en eau, l'absorption après immersion, l'absorption après immersion et ébullition, la densité à l'équilibre, la densité à sec, la densité après immersion, la densité après immersion et ébullition et le volume des pore perméable à l'eau.
T eneur en eau, % = ((I − A)/A) · 100 (2.1) Absorption apr`es immersion, % = ((B − A)/A) · 100 (2.2) Absorption apr`es immersion et ´ebullition, % = ((C − A)/A) · 100 (2.3) Densit´e `a l0equilibre, kg/m´ 3 = (G/(C − D)) · 1000 (2.4) Densit´e `a sec, kg/m3 = (A/(C − D)) · 1000 (2.5) Densit´e apr`es immersion, kg/m3 = (B/(C − D)) · 1000 (2.6) Densit´e apr`es immersion et ´ebullition, kg/m3 = (C/(C − D)) · 1000 (2.7) V olume des pores perm´eables `a l0eau, % = ((C − A)/C − D) · 100 (2.8)
2.4.2 Essai de résistance à l'écaillage
La procédure de l'essai de résistance à l'écaillage est basée sur la norme BNQ-2621-905-B. Deux plaques ayant une surface de 230x330 mm et une épaisseur de 75 mm sont testées par mélange de BFUP. Les plaques, après 14 jours de cure, sont placées dans une chambre à température et humidité contrôlées à 23±2◦C et 50±5% respectivement, pendant 14 jours.
Un cadre d'étanchéité est installé sur le dessus de la plaque avant l'essais de résistance à l'écaillage, soit avant le 28e jour. Une solution saline, ayant une concentration à 3,0±0,1% de
NaCl, est ajoutée sur la surface des plaques. Les plaques sont laissées dans la chambre aux mêmes température et humidité contrôlées que précédemment avec la solution saline jusqu'au 35ejour. À la suite des 35 jours de conditionnement les plaques sont placées dans une chambre
d'écaillage pour 56 cycles de gel-dégel. Un cycle à une durée de 24h où la température varie de −18◦C à 24◦C. Après 7, 21, 35, et 56 cycles, la masse des débris détachés de la surface
doit être pesée. Les masses des débris obtenues sont cumulées et les résultats sont exprimés en kilogramme par mètre carré de surface exposée. À la n de l'essai, une cote qualitative est attribuée à la surface des plaques selon le barème présenté au Tableau 2.2.
Table 2.2 Barème pour l'attribution d'une cote de la surface des plaques d'écaillage (BNQ 2621-905)
Cotes Caractéristiques de la surface écaillée 0 Aucun écaillage important observé.
1-A Écaillage très léger du mortier de surface avec absence de cratères (popouts).
1-B Écaillage important du mortier de surface avec absence de cratères (popouts).
2-A Aucun écaillage important du mortier de surface, mais présence de quelques cratères (popouts).
2-B Aucun écaillage important du mortier de surface, mais présence de plusieurs cratères (popouts).
3 Combinaison du mortier de surface écaillée principalement avec de gros granulats éclatés.
4 Combinaison gros granulats éclatés principalement avec du mortier de surface écaillée.
2.4.3 Essai de migration accélérée
La procédure de l'essai de migration accélérée des ions chlorure est basée sur la norme ASTM C1202. Deux cylindres de BUP ayant un diamètre de 100 mm et une hauteur de 50 mm sont testés pour chaque mélange. Tel que spéci é par la norme ASTM C1859, des échantillons sans bres sont utilisés a n d'empêcher les courts circuits ou surchaue des appareils. Les échantillons sont laissés en cure humide pendant 28 jours puis sont saturés sous vide dans l'eau avant l'essai. Deux cellules sont placées à chaque extrémité des cylindres contenant, d'un
