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Dépôt Institutionnel de l’Université libre de Bruxelles / Université libre de Bruxelles Institutional Repository
Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:
Cortas, R. (2012). Nouvelle approche expérimentale pour la maîtrise de la fissuration du béton jeune: influence de la nature et de la saturation des granulats (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Ecole polytechnique de Bruxelles – Constructions, Bruxelles.
Disponible à / Available at permalink : https://dipot.ulb.ac.be/dspace/bitstream/2013/209672/4/7e692831-f3e0-48eb-9a94-45a970626fae.txt
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D 03915 ULB
ECOLE
POLYTECHNIQUE
DE BRUXELLES
Thèse de DOCTORAT
De l’Ecole Centrale de Nantes, France Et de rUniversité Libre de Bruxelles, Belgique
É
coleD
octoraleSCIENCES POUR L’INGENIEUR, GEOSCIENCES, ARCHITECTURE (ECOLE CENTRALE DE NANTES) ET ECOLE POLYTECHNIQUE DE BRUXELLES (UNIVERSITE Librede Bruxelles)
Armée 2012 N° B.u. :
Présentée et soutenue publiquement par :
R
achidCORTASle 14 mai 2012 à l’Ecole Centrale de Nantes
pour obtenir le grade de
Docteur en Génie Civil de l’Ecole Centrale de Nantes
Et Docteur en Sciences de l’ingénieur de l’Académie Universitaire Wallonie Bruxelles Spécialité : Génie Civil
T
itreN
ouvelleapprocheexperimentalepourlamaîtrisedelafissurationdubétonJEUNE :
influencedelanatureetdelasaturationdesgranulats JuryPrésident : Mr Jean Michel TORRENTI Professeur à l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées Rapporteurs : M. Sofiane AMZIANE
M. Eric GARCIA-DIAZ
Professeur à l’Université Biaise Pascal, Clermont-Ferrand Professeur l’Ecole des Mines d’Alès
Examinateurs ; Mme Marie-Paule DELPLANCKE M. Bernard ESPION
M. Ahmed LOUKILI M. Emmanuel ROZIERE Mme Stéphanie STAQUET
Professeure à l’Université Libre de Bruxelles Professeur à l’Université Libre de Bruxelles Professeur à l’Ecole Centrale de Nantes
Maître de Conférences à l’Ecole Centrale de Nantes Professeure Assistant à l’Université Libre de Bruxelles Membre invité :: M. François CUSSIGH Ingénieur, Vinci Construction France
Directeur de thèse : Ahmed LOUKILI, Professeur
Consultation
Signature :
AUTORISEE !
(biffez la mention inutile,
-INTERDITE
K^Iements
Je tiens à exprimer ma reconnaissance à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette thèse qui a été menée au sein du laboratoire « GeM à l’Ecole Centrale de Nantes » et le laboratoire « BATir à l’Université Libre de Bmxelles ».
Je tiens à remercier en premier lieu mon directeur de thèse M. Ahmed LOUKILI, professeur à l’Ecole Centrale de Nantes de m’avoir proposé, confié et dirigé ce travail de thèse : ü a toujours su rendre le travail possible dans les meilleures conditions. Merci pour ses efforts ainsi qu’aux précieux conseils qu’il m’a donnés tout au long de la thèse.
Je souhaite aussi remercier ma co-directrice de thèse Mme Stéphanie STAQUET, professeure assistant à l’Université Libre de Bruxelles pour ses remarques scientifiques et ses conseils constructifs.
L’accueil et les facilités qu’elle m’a accordés ont favorisé mon intégration au sein de son laboratoire.
Toute ma gratitude et reconnaissance à mon encadrant de thèse M. Emmanuel ROZIERE, maître de conférences à l’Ecole Centrale de Nantes qui m’a accompagné dès mes premiers pas dans la recherche et jusqu’aux derniers jours de la thèse. Merci pour son aide, ses conseils et sa disponibilité qui m’ont été précieux et avisés tout au long de la thèse.
J’adresse aussi mes remerciements à chacun des membres du jury ;
Tout d’abord au professeur Jean Michel TORRENTI, de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées pour l’honneur qu’il m’a fait en présidant le jury de thèse.
Ensuite aux professeurs Sofiane AMZIANE de l’Université Biaise Pascal à Clermont-Ferrand et Eric GARCIA-DIAZ de l’Ecole des Mines d’Alès pour avoir accepté la lourde tâche de rapporter ce travail de thèse et pour leurs judicieuses et pertinentes remarques.
Mes remerciements vont également aux professeurs Bernard ESPION du département Génie Civil et Marie-Paule DELPLANCKE du département Chimie et Science des matériaux de l’Université Libre de Bmxelles qui m’ont fait le plaisir de participer à mon jury et d’avoir accepté d’être examinateur. Je leur remercie aussi de m’avoir permis d’utiliser les équipements et les facilitées dans leurs départements respectifs au cours de mon séjour à l’Université Libre de Bmxelles.
Un grand merci à Vinci Constmction France et à la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) pour avoir financé cette thèse. Je remercie plus particulièrement M. François CUSSIGH d’avoir suivi avec intérêt l’évolution de mon travail et d’avoir mis ses relations en faveur du bon déroulement de la thèse.
De même, je n’oublie pas de remercier tous les membres du comité de suivi de thèse à la FNTP qui m’ont aidé à mieux avancer dans mes travaux de recherche suite à leurs remarques et conseils ; Mme Sabine DARSON-BALLEUR de Soletanche Bachy, M. Benjamin DAUBILLY de la FNTP, M.
Philippe GEGOUT de Bouygues Constmction, M. Philippe GOTTELAND de la FNTP, M. Bmno HUVELIN de Cemex, M. Lionel LINGER de VINCI Constmction Grands Projets, M. Wüfried PILLARD de la Fédération Française du Bâtiment, M. Alain SELLIER du LMDC de Toulouse.
Mes remerciements vont également à mes collègues, aux membres et aux personnels du laboratoire
« GeM » de l’Ecole Centrale de Nantes, du Service « BATir » et du service « Chimie et Science des matériaux » de l’Université Libre de Bruxelles. Je pense plus particulièrement à toutes les personnes qui m’ont aidé dans la lourde tâche expérimentale : M. Vincent WISNIEWSKI, M. Jean-Yves Letouzo, et M. Patrick Denain de L’Ecole Centrale de Nantes ainsi que M. Gilles Vanhooren, M.
Obvier Leclercq, M. Patrizio MADAU et M. Carlo PATERNOSTER de l’Université Libre de Bruxelles.
De même, je remercie Mr Ameur HAMAMI pour l’aide et le support qu’ü ma apporté au cours de mon travail de thèse. Je pense aussi à Mme Rana HACHEM et à son soutien surtout pendant les dernières périodes difficiles. Je remercie de même tous les collègues de bureau pour l’amitié qui s’est crée entre nous : Aveline, Irfan, Thibault Brice et Jérôme.
Je souhaite aussi remercier tous mes amis que j’ai connus à Nantes pour les moments vécus ensemble.
Je tiens également à manifester mes remerciements à Tamara d’avoir partagé avec moi ces moments durs au cours de la thèse surtout dans la dernière période de rédaction ainsi que pour son sourire, support et encouragements.
Enfin j’exprime toute ma reconnaissance à ma famille : à mon ami et mon frère Hadi pour sa sympathie dont j’avais absolument besoin pour continuer à avancer dans mes travaux, à ma mère Rita pour son support, amour et prières et enfin à mon professeur de l’Université Libanaise, mon père Joseph pour cette maladie génétique : le Génie Civil globalement et le Béton plus particulièrement.
Résumé
La fissiaration d’éléments minces en béton dès le jeune âge correspond à une réalité observée sur des ouvrages en construction. Cette fissuration concerne des bétons courants de bâtiments, pour lesquels les matériaux de qualité optimale ne sont pas toujours disponibles, en particulier au niveau des granulats. Le but de cette thèse est de définir une approche expérimentale d’étude de ces phénomènes et de proposer des interprétations pour les sensibilités relatives à la fissuration en fonction de la nature des granulats et de leurs taux de saturation initiaux. La sensibilité des moyens de mesures existants conçus pour des bétons spéciaux (BAP et BHP) a d’abord dû être vérifiée. Un nouveau dispositif expérimental a été développé dans le but de mieux décrire l’évolution de la résistance et de la capacité de déformation en traction du béton jeune.
Les indicateurs globaux (macroscopiques) apparaissent plus sensibles que les indicateurs de la micro structure pour rendre compte des différences de comportement observées. L’évolution du module élastique, du retrait plastique et endogène corrélées à l’évolution de la capacité de déformation et de la résistance en traction permettent de mieux caractériser le risque potentiel de fissuration par retrait empêché. La fin de prise correspond à une phase critique. L’influence de la saturation des granulats est indirecte, et résulte des variations du rapport Eau d’ajout/Ciment, à rapport Eau efficace/Ciment constant. La nature des granulats intervient au niveau des évolutions relatives de la résistance en traction et du module élastique. La méthodologie peut être appliquée à l’étude d’autres types de bétons et d’autres paramètres de formulation.
Mots-clés ; Béton, jeune âge, granulats, saturation, retrait, fissuration, traction directe, capacité de déformation.
Abstract
Early âge cracking of thin concrète éléments is a realtty observed on structures under construction. These cracking problems concern the standard “building concrète”, for which the optimal materials quahty is not always avaüable, particularly at the aggregates level. The aim of this thesis is to define an experimental approach to study these phenomena and propose interprétations for the relative cracking sensibility according to the type of aggregates and their initial saturation degree. The measurement sensibility of existing devices designed for spécial concrètes (SCC and HPC) must firstly be checked. A new experimental device was developed to better describe the évolution of the tensüe strength and strain capacity of early-age concrète. Global indicators (macroscopie) appear to be more sensitive than the microstructure indicators. The évolution of the elastic modulus, plastic and autogenous shrinkage, correlated to the tensüe strain capacity and the tensüe strength, would better characterize the potential cracking risk subjected to restrained conditions. The final setting time is a critical phase.
The influence of the aggregates saturation is iadicect, and produces variation of the ratio (Added Water/Cernent), with a constant (Effective Water/Cement) ratio. The aggregates type is involved at the level of the relative évolution of the tensüe strength and the elastic modulus. The methodology can be appHed to study other types of concrète and other formulation parameters.
Keywords: Concrète, early-age, aggregates, saturation, shrinkage, cracking, direct tensüe, strain capacity.
Table des matières
Table des matières
Introduction générale... 11
Chapitre I. Du chantier au laboratoire...15
1.1 Introduction... 15
1.2 Première étude de cas :... 15
1.2.1 La structure : contexte et observations sur chantier... 15
1.2.2 Le matériau : évolution de la composition du béton et de la cure... 19
1.2.3 Questions et problématique :... 22
1.3 Deuxième étude de cas : analyse au laboratoire de bétons de bâtiment... 23
1.3.1 Observations en cours de construction...23
1.3.2 Analyse des compositions...23
1.3.3 Etude des bétons en laboratoire... 25
1.3.4 Résultats et interprétation... 31
1.3.5 Bilan des essais de laboratoire... 34
1.4 Etude préliminaire sur l’effet de la saturation des granulats... 35
1.4.1 Retrait libre à l’état durci et perte de masse... 37
1.4.2 Résistance mécanique à la compression et à la traction... 39
1.4.3 Retrait de dessiccation en fonction de la perte de masse... 39
1.4.4 Images au MEB (Microscopie Electronique à Balayage)... 40
1.4.5 Bilan de l’étude préliminaire sur l’effet du taux de saturation initial des granulats ... 41
1.5 Conclusion... 41
Chapitre II. Méthodologie de détermination des données d’entrée relatives au retrait des bétons - Influence de la nature du liant...43
IL 1 Introduction... 43
11.2 Revue bibliographique... 43
11.2.1 Le retrait des matériaux cimentaires : phénomènes et origines... 43
11.2.2 Influence de la composition de la pâte sur le retrait du béton...50
11.2.3 Conclusion... 52
11.3 Programme expérimental... 53
11.3.1 Introduction... 53
11.3.2 Programme expérimental global...53
11.3.3 Propriétés des constituants et compositions...55
11.3.4 Procédures expérimentales... 57
11.4 Résultats et discussion... 59
11.4.1 Béton au jeune âge : phase plastique... 59
11.4.2 De l’état frais à l’état durci : comparaison de dispositifs et d’échelles... 61
11.4.3 Retrait à long terme...63
11.5 Conclusion... 69
Table des matières
Chapitre III. Influence de la nature et de la saturation des granulats sur le retrait du béton
... 71
III. 1 Introduction... 71
111.2 Etude bibliographique... 71
111.2.1 Influence de la concentration granulaire... 71
111.2.2 Influence de la rigidité des granulats... 72
111.2.3 Influence du retrait des granulats sur le retrait du béton... 74
111.2.4 Interface pâte/granulats... 77
111.2.5 Effet du taux de saturation des granulats...78
111.3 Programme expérimental...81
II 1.3.1 Propriétés des granulats...81
111.3.2 Programme expérimental global... 82
111.3.3 Compositions des bétons... 84
111.3.4 Procédures expérimentales... 87
111.4 Résultats et discussion... 91
111.4.1 Caractérisation des granulats : étude de la cinétique d’absorption... 92
111.4.2 Influence du taux de saturation des graviers : calcaire tendre de Beauvilliers... 94
111.4.3 Influence du taux de saturation des graviers : granulats légers (schiste expansé) ... 106
111.4.4 Influence de la nature minéralogique des granulats...116
111.5 Conclusion sur l’influence de la nature et du taux de saturation des granulats...120
Chapitre IV. Comportement en traction du béton au jeune âge : développement d’un nouveau dispositif... 123
IV. 1 Introduction...123
IV.2 Etat de l’art...123
IV.2.1 Evolution des dispositifs d’essais de traction directe...123
IV.2.2 Propriétés du béton jeune... 129
IV.2.3 Paramètres influençant le comportement du béton au jeune âge - la capacité de déformation...131
IV.2.4 Influence des granulats sur la résistance en traction...136
IV.2.5 Conclusion... 139
IV.3 Programme expérimental... 140
IV.4 Développement de l’essai de traction directe sur béton jeune... 141
IV.4.1 Présentation de la machine de traction... 141
IV.4.2 Système de corrélation d’images...144
IV.4.3 Analyse des données de l’essai... 145
IV.5 Influence de la vitesse de chargement et répétabilité... 146
IV.5.1 Résistance à la traction... 147
IV.5.2 La vitesse réelle de déplacement du béton...147
Table des matières
IV.6 Influence du squelette granulaire sur le comportement du béton au jeune âge... 149
1 V.6.1 Influence du taux de saturation des granulats... 149
IV. 6.2 Influence de la nature des granulats...151
IV. 7 Bilan et conclusion...155
Chapitre V. Evaluation de la sensibilité à la fissuration du béton jeune... 157
V. 1 Introduction... 157
V.2 Approches expérimentales d’etude de la fissuration du béton jeune...157
V.3 Retrait Endogène...159
V. 3.1 Influence du taux de saturation des granulats... 160
V.3.2 Influence de la nature des granulats...162
V.4 Fissuration d’origine thermique... 164
V.4.1 Première approche : courbes de température déduites des essais BTJADE 165 V.4.2 Deuxième approche : courbes de température déduites de la base de données CIRIA [BAMFORTH, 07]... 167
V.5 Conclusion... 170
Conclusions et perspectives... 173
Références bibliographiques... 177
Annexes ... 189
Introduction générale
INTRODUCTION GENERALE
La fissuration est inhérente au fonctionnement du béton armé et paradoxalement sa maîtrise est indispensable pour garantir sa durabilité. En particulier, la fissuration dite « au jeune âge » parfois observée dans les premières heures ou jours après le coulage du béton nuit à la durabüité des structures à long terme par l’infiltration de l’eau et l’exposition des armatures aux agents agressifs, sans oublier l’altération des caractéristiques fonctionnelles et de l’esthétique de l’ouvrage. 11 est donc nécessaire de bien comprendre les mécanismes qui conduisent à une fissuration excessive et d’agir sur les paramètres influents pour prévenir les éventuels désordres. Afin d’y parvenir, il existe des modèles et des critères associés, dont les plus couramment utiHsés sont décrits dans les normes. La composition, la production, et la mise en œuvre du béton sont ainsi encadrées par un certain nombre d’exigences qualitatives et quantitatives. Cependant, on constate actuellement que ces règles sont parfois mises en défaut. On observe par exemple l’apparition de fissures sur des éléments minces (planchers, voiles) en béton au jeune âge sur des ouvrages en cours de constmction en absence de tout chargement mécanique extérieur.
On sait par ailleurs que la formulation des bétons n’a cessé d’évoluer au cours des dernières années.
Les bétons modernes tels que les Bétons Auto-Plaçants (BAP) et Bétons à Hautes Performances (BHP) s'imposent dans le monde de la construction, grâce à la meilleure connaissance de la chimie des ciments et à la généralisation de l’emploi des adjuvants. Les enjeux environnementaux et économiques restreignent la disponibilité des matériaux de qualité optimale, en particulier au niveau des granulats — qui constituent environ 70% de la composition des bétons en volume. On peut donc se poser la question de l’aptitude des règlements existants à couvrir le champ des nouvelles formulations et des nouveaux usages du béton.
En parallèle, la connaissance des phénomènes impliqués dans la fissuration précoce a progressé. La fissuration est souvent une conséquence d'une déformation empêchée d’origine thermique, chimique ou hydrique. Au jeune âge, un couplage entre ces différentes déformations a lieu ce qui rend la problématique plus complexe. Plusieurs modèles existent en France ou à l’Etranger qui visent à calculer les contraintes dans des pièces en béton au jeune âge et de dresser une carte qui permet de déceler les endroits qui présentent des risques accms de fissuration. Cependant faute de données expérimentales, ces modèles ne prennent pas en compte plusieurs paramètres de formulation souvent déterminants dans le processus de la fissuration des bétons au jeune âge.
L’étude menée dans la thèse s’inscrit dans ce contexte. Il s’agit d’une part de mieux décrire et comprendre les mécanismes à l’origine de fissurations précoces. En effet, malgré une bibliographie sur le retrait globalement abondante, on constate des lacunes dans la connaissance des toutes premières heures du comportement du béton et sur l’influence de paramètres de formulation. Par exemple, les granulats sont souvent considérés comme « inertes » et leur rôle est mal connu, alors qu’ils interviennent dans la plupart des phénomènes en jeu. D’autre part, le travail vise à proposer des méthodologies de détermination expérimentale des données d’entrée relatives au retrait et au comportement mécanique du béton jeune afin d’alimenter des modèles prédictifs qui pourront à leur tour fournir des critères pour prévenir la fissuration.
Introduction générale
Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre la Fédération Nationale des Travaux publics (FNTP) et le laboratoire GeM à l’Ecole Centrale de Nantes. La collaboration a pris la forme d’une convention CIFRE avec VINCI Construction France. La complexité de l’étude expérimentale nécessite d’avoir recours à des dispositifs expérimentaux et des compétences spécifiques et complémentaires. La thèse a donc fait l’objet d’une cotutelle avec le laboratoire BATir de l’Université Libre de Bruxelles (ULB) en Belgique.
Nous avons décidé de ne pas commencer le mémoire par une étude bibliographique comme cela est d’usage. Il a été préféré de poser d’abord la problématique initiale dans le premier chapitre à partir des études de cas et d’incorporer ensuite les analyses bibliographiques correspondant à chaque problématique ou phénomène étudié en début de chaque chapitre. Nous avons eu recours à la présentation de méthodes ou de résultats en annexes dans le but d’alléger le corps du mémoire en montrant les résultats les plus remarquables et les plus significatifs afin de répondre de façon plus directe à la problématique initiale.
L’objectif du premier chapitre est donc d’introduire de façon précise la problématique de la thèse à partir d’un retour d’expérience sur deux cas réels de fissuration bien documentés. D’après l’analyse des deux cas les formulations de béton respectaient la norme garantissant la durabilité (NF EN 206- 1) et leur mise en œuvre était conforme au cahier des charges et aux règles d’exécution. Le but de cette étude préliminaire est de mettre en évidence les paramètres influençant la sensibilité à la fissuration et les limites des dispositifs de laboratoire existants et des approches expérimentales courantes fondées sur la mesure du retrait du béton durci. En effet on constate que les sensibilités relatives à la fissuration ne peuvent être expliquées par les tendances observées au niveau du retrait.
Le but principal du deuxième chapitre est de proposer une méthodologie de mesure du retrait plastique et endogène au jeune âge. L’étude est complétée par des mesures sur béton durci à long terme dans le but de mieux comprendre et interpréter les résultats obtenus sur béton jeune. Il est à noter que les dispositifs existants les plus performants ont été conçus pour l’application à des bétons spéciaux (BAP, BHP, BFUP), alors que les bétons étudiés, dans la gamme des bétons courants, ont un rapport E/C variant entre 0,4 et 0,6. Cette étude permet de comparer la sensibilité des différents moyens de mesure pour les mêmes formulations données (différentes par la nature du ciment).
Les études présentées dans le troisième chapitre s’appuient sur les dispositifs présentés au chapitre II pour tenter de comprendre l’influence de la nature et de la saturation initiale des granulats sur le retrait du béton. Les mesures réalisées au jeune âge donnant l’évolution de la dépression capillaire, la perte de masse, les propriétés du réseau poreux et le degré d’hydratation sont corrélées dans le but de comprendre les différentes tendances d’évolution du retrait des bétons selon les paramètres de formulation. Nous nous intéressons plus spécialement à l’influence de la saturation des granulats (granulats secs, mi-saturés et complètement saturés) ainsi qu’à la nature des granulats (calcaire tendre, granulats légers et süiceux compact). Une formulation type est définie pour cette étude à partir d’un ciment commun (CEM I 52,5) et un rapport (E/C) de 0,5.
Introduction générale
de traction directe pour le suivi de l’évolution des propriétés du béton en traction au jeune âge. Le but est de caractériser l’influence de la nature et du taux de saturation des granulats sur l’évolution de la résistance et capacité de déformation du béton jeune. De cette manière, la première partie de la méthodologie sera complétée par l’étude du comportement du béton en traction.
Enfin, le dernier chapitre s’appuie sur la corrélation de toutes les études réalisées dans le but de mieux comprendre le risque de fissuration du béton en simation de retrait empêché sans passer par des essais passifs dont l’âge de fissuration est dépendant des dispositifs. On utilise dans cette étude une approche découplée fondée sur la comparaison des contraintes à la résistance en traction. Les contraintes seront calculées à l’aide de l’évolution du module élastique et la sollicitation donnée. Le risque de fissuration sera étudié à partir de la sollicitation d’origine endogène et thermique.
L’influence de la nature et de la saturation des granulats sur le risque de fissuration du béton soumis aux conditions restreintes sera le but principal. L’objectif final de la thèse est de répondre aux interrogations formulées dans le premier chapitre en comprenant mieux les phénomènes et les influence des paramètres de formulation.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
CHAPITRE I. DU CHANTIER AU LABORATOIRE
1.1 INTRODUCTION
La fissuration d’éléments minces en béton dès le jeune âge correspond à une réalité observée sur des ouvrages en construction. Dans le cadre de cette thèse, nous sommes partis de deux cas de fissuration observés sur deux chantiers différents. Ils présentent l’intérêt d’être bien documentés et permettent de souligner le rôle de paramètres tels que les gradients d’humidité et de température, le rapport Eau d’ajout/Liant, la nature et le taux de saturation des granulats dans le phénomène de la fissuration.
Dans cette première partie, l’analyse détaillée des compositions réelles (correspondant au premier cas) est réalisée ainsi qu’une étude expérimentale en laboratoire (pour les bétons du deuxième cas). Le but est de caractériser les compositions (du deuxième cas) avec les dispositifs expérimentaux existants afin de mieux comprendre la fissuration observée sur site. Le deuxième objectif de cette étude est de vérifier la sensibilité de nos dispositifs expérimentaux aux différents paramètres de formulation. Ceci permet en effet de lister les paramètres de formulation intéressants à émdier pour la suite ainsi que les besoins de développement de nouveaux dispositifs expérimentaux complémentaires afin de répondre à la problématique de fissuration au jeune âge qui sous-entend le travail de thèse.
1.2 PREMIERE ETUDE DE CAS :
1.2.1 La structure : contexte et observations sur chantier
La construction concerne un Eco-Centre de valorisation et traitement des ordures ménagères à Pornic (44). En raison de la présence de jus de déchets et de fermentation (lixiviats), la classe d’exposition retenue pour les bétons est la classe XA3 (NE EN 206-1). Le centre comprend des fosses et des casiers de maturation/fermentation constitués de radiers et de voiles, sur lesquels des fissurations quasi traversantes ont été observées le lendemain et quelques jours après le bétonnage.
Au vu des observations sur chantier, une représentation schématique des fissures est présentée sur la Figure 1.1.
Le type de fissuration observée (propagation de la fissure à partir de la face supérieure du radier), l’épaisseur du radier (25 cm) et le type de liant utilisé (CEM V, induisant une augmentation relativement faible de la température du béton) semblent permettre d’exclure une fissuration d’origine thermique (gradient de température entre le centre de la section et la surface).
Aussi, des précautions ont été prises pour limiter les fissurations par retrait empêché. En effet les casiers adjacents ont été coulés consécutivement le même jour (14/06, 16/06, 28/06), ce qui est recommandé afin d’éviter que le retrait d’un panneau soit empêché sur un bord par le panneau réalisé précédemment (Figure I.l).
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Figure 1.1. Fissuration observée sur les radiers coulés les 14 et 16 juin 2010.
Cependant la longueur totale des casiers coulés ces mêmes jours (respectivement 40 et 50 m pour les deux premiers, sans fractionnement) associée à l’empêchement du retrait du béton par le support crée une situation de fissuration potentielle — limitée par le ferraillage. En effet les différents casiers seront fermés sur trois côtés par des voües, d’où une concentration plus importante d’armatures à ce niveau (Figure 1.2). Le béton se contracte plus facilement sur la longueur la moins armée que sur la longueur opposée (base du voile de fond des casiers), ce qui a pu créer des déformations différentielles. La fissuration potentielle se concentre alors préférentiellement dans les zones les moins armées (Figure 1.3). Les fissures observées sont cohérentes avec celles des schémas (Figure 1.4 et Figure 1.5).
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
c
Figure 1.3. Fissures observées sur les casiers (a ; casiers 1 et 2, b : casier 3, c : casier 3, d : fissure type).
Figure 1.4. Situation de retrait empêché et tissuration induite selon le rapport CIRIA, [BAMFORTH, 07] (Kr ; Degré de restriction — 0,5).
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
La fissuration observée sur les voiles de la fosse est typique d’une situation de retrait empêché. En effet les voiles ont été coulés sur un radier rigide, qui s’est ainsi opposé à la contraction du béton (Figure 1.5).
Figure 1.5. Exemple de Gssuratioa de voiles due à l’empêchement du retrait par une fondation rigide selon le rapport CIRIA* [BAMFORTH, 07].
Les armatures dans le béton armé permettent de répartir la fissuration notamment celle due au retrait, c’est-à-dire réduire la distance entre fissures et diminuer leur ouverture. Des augmentations de l’enrobage (jusqu’à environ 9 cm) ont pu altérer cette fonction, comme observé sur les carottages au droit des fissures (Figure 1.6).
: Armature *
Figure 1.6. Carotte prélevée au droit d’une Gssure.
* CIRIA: Construction Industry Research and Information Association.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Deux types de précautions s’imposent alors : s’assurer que l’enrobage ne dépasse pas l’enrobage prescrit, et, pour une même section d’acier, préférer des barres de plus petit diamètre, plus rapprochées. L’absence de fissuration sur un radier du même type d’un ouvrage quasi-identique semble aller dans ce sens.
La prévention de la fissuration passe donc par des dispositions à prévoir au niveau de la structure, tels que des fractionnements et la bonne répartition des armatures. Cependant, ces précautions prises, se pose la question de la réduction du risque de fissuration au niveau du matériau pour des dispositions constmctives données.
1.2.2 Le matériau : évolution de la composition du béton et de la cure
La classe d’exposition (XA3) retenue impose des prescriptions particulières sur le béton des radiers (Tableau 1.1).
Environnements chimiquement agressifs
XA1 XA2 XA3
Rapport Eeff/liant éq maximal
0,55 0,50 0,45
Classe de résistance minimale
C30/37 C35/45 C40/50
Teneur mini en liant éq (kg/m’)'”*)
330 350 385
Teneur minimale en air (%)
— — —
Tableau I.l. Extrait du tableau NA.F.1 de la nonne NFEN206-1 (2004).
L’entrepreneur a fait appel successivement à deux fournisseurs de béton prêt à l’emploi (BPE). Le Tableau 1.2 et le Tableau 1.3 résument les formulations théoriques des (BPE 1) et (BPE 2).
Le liant utilisé est le ciment composé CEM V (fiche technique en annexe A), induisant une augmentation relativement faible de la température du béton, et s’hydratant lentement. Cependant, le volume de pâte (eau + ciment) est asse2 élevé et les rapports Eau efficace/Ciment (E^ff/C) sont pratiquement identiques (0,42 et 0,45), ce qui reste faible en comparaison avec des compositions de béton généralement utilisées pour des dallages. En effet des bétons de rapports (E^ff/C) plus élevés sont généralement protégés du séchage par un film d’eau de ressuage qui atténue le retrait plastique.
Il faut noter que les (BPE) utilisés dans ce chantier respectent le cahier de charge ainsi que les exigences de durabilité prescrites dans la norme NF EN 206-1. Afin de tenter de corréler les fissurations les plus importantes avec ces évenmelles variations de composition, les teneurs en eau réelles ont été déduites des bons de pesée (Tableau 1.4 et Annexes A). La comparaison des deux formulations (Tableau 1.4) montre que le volume de pâte ainsi que le rapport Eeau /Ciment sont relativement identiques.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
BPE 1 Composition théorique (kg/
Gravülon 11,2/22,4 - GSM Rouans - 1,2% * 608
Gravillon 4/10 — GSM Sainte Pazanne,
concassé, gneiss — 2,0% 334
Sable 0/4 — Marin Cheviré — 0,6% 760
CEM V/A (S-Y) 42,5 N PM ES - Calcia Airvault 410
Eau totale 190
Eau efficace 171
Plastifiant CHRYSOplast OMEGA 135 2,05
Eau efficace / Ciment 0,42
Tableau 1.2. Composition théorique des bétons (BPE1).
BPE 2 Composition théorique (kg/m^
Gravillon 10/20 — MIGNE, concassé,
gneiss - 0,4%’ 835
Gravillon 2/10 — MIGNE, concassé, gneiss — 0,7% 122 Sable 0/4 — Palvadeau, roulé, alluvionnaire - 0,6% 800
CEM V/A (S-V) 42,5 N PM ES - Calcia Airvault 387
Eau totale 173
Eau efficace 164
Superplastifiant CHRYSOfluid OPTIMA 206 1,55
Plastifiant CHRYSOplast LV 1,16
Eau efficace / Ciment 0,42
Tableau 1.3. Composition théorique des bétons (BPE 2).
Composition réelle (kg/m^ BPEl BPE 2
Eau efficace 171 173
Eau d’ajout 138 147
Eau totale max. 197 191
Ciment 404 386
Eau efficace/Ciment 0,42 0,45
Eau d’ajout/Ciment 0,34 0,38
Eau totale max. /Ciment 0,49 0,50
Volume de pâte (L/m^) 331 307
Tableau 1.4. Composition réelle moyetme des bétons déduite des bons de pesée.
Les bons de pesée du BPEl ont été analysés en détail dans le but de mettre en évidence d’éventuelles différences relatives entre les dates de coulage. Les valeurs de la teneur en eau des graviers et du sable sont données en Annexe A. Le sable est stocké dans des silos et le gravier vient d’une carrière proche de la centrale à béton. L’eau d’ajout prend en compte la valeur de la teneur en eau réelle du sable (déterminée par une sonde), et l’eau de correction ou d’ajustement (notée Eau Var.) dépend de la teneur en eau réelle des graviers (déterminée par mesure de la perte de masse).
Chapitre 1. Du chantier au laboratoire
La teneur en eau du sable est de 5%. Cette valeur est vraisemblable car le sable est lavé et stocké dans des silos quasi-hermétiques. Pour les deux derniers coulages (14/06 et 16/06 - Figure I.l), la teneur en eau des graviers 11/22 est de 0,7%, ce qui correspond à un taux de saturation de 58%. Cette valeur semble aussi réaliste. Par contre, la teneur en eau des graviers 4/10 est de 4%, correspondant à un taux de saturation de 200% ! Cette valeur élevée a pu avoir une influence sur les propriétés du béton, par l’intermédiaire du calcul de l’eau efficace.
L’eau totale maximale a été calculée pour chaque coulage, et est présentée à la fin de chaque tableau de l’annexe A. EUe correspond à la somme de l’eau de gâchage, de l’eau d’ajustement et de l’eau contenue dans les granulats. L’eau totale maximale du 14/06 et du 16/06, est respectivement de 200 et de 192 litres, ce qui conduit à un E/C réel du coulage du 16/06 inférieur à celui du 14/06. Cette observation peut être corrélée avec les valeurs de résistance en compression à 7 jours ; f^ du 16/06 est de 34,5 MPa, tandis que f^. du 14/06 est de 28,5 MPa.
On remarque aussi, que les quantités d’eau de gâchage et d’eau d’ajustement des casiers 4 et 5 sont presque identiques. Pourtant, contrairement au casier 5, le casier 4 a fissuré et cela est probablement lié à l’enrobage des armatures qui est seulement de 4,5 cm pour le casier 4, alors qu’ü est de 9 cm pour les autres casiers (Figure 1.6).
Les bons de pesée du BPE 2 ont également été analysés en détail (Annexe A). Les valeurs moyennes permettent de conclure que ce béton a un volume de pâte inférieur, et un rapport Eau d’ajout/Ciment supérieur, à ceux du béton du BPE 1.
En outre, une différence apparaît également au niveau de la teneur en eau initiale des graviers, secs dans le cas du BPE 2, et humides dans le cas du BPE 1. Par suite, l’écart entre l’eau efficace et l’eau d’ajout dans le cas du BPE 2 est plus faible que celui du BPE 1.
Finalement, il ne faut pas oublier que ces problèmes de fissuration sur ce chantier sont apparus en été (Figure 1.7), et ont donc été provoqués ou aggravés par le fort taux d’évaporation, même si ces bétons ont bénéficié d’une cure.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Figure 1.7. Historiques des conditions climatiques au cours de l’année 2010 dans la région de Nantes — Pays de la Loire (a ; Température, b : hauteur des précipitations et c : temps d’ensoleillement),
[climat.meteofrance.com],
1.2.3 Questions et problématique :
Après observations de la fissuration sur chantier, et analyse des formulations des bétons, plusieurs questions peuvent être posées sur la compréhension des facteurs et conditions qui ont favorisé l’apparition de la fissuration au jeune âge :
• Les bétons utilisés dans ce chantier sont conformes au cahier de charge exigé par le maître d’ouvrage et aux exigences de durabilité de la norme NF EN 206 — 1, cependant la fissuration est présente. Est-ce que les exigences de durabüité prescrites dans les normes concernant les paramètres de formulation de béton (volume de pâte minimal, (E/C) maximal et type de liant) prennent en compte le risque de fissuration potentiel du béton au jeune âge ?
• Les granulats utüisés dans le béton BPE 1 sont des granulats relativement poreux (absorption de 2%), par suite l’écart entre l’eau d’ajout et l’eau efficace sera plus important. Comment la teneur en eau (taux de saturation) des graviers influence le comportement du béton et son risque de fissuration ?
• Dans le cas réel d’une structure, le béton n’est jamais libre de se déformer. Il est souvent empêché pas les conditions aux limites de la stmcture (Figure 1.3, Figure 1.4 et Figure 1.5) et par les armatures du béton armé (Figure 1.2). Comment s’approcher des conditions représentatives de chantier pour les études de laboratoire afin d’étudier le béton au jeune âge sous conditions restreintes ?
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
1.3 DEUXIEME ETUDE DE CAS : ANALYSE AU LABORATOIRE DE
BETONS DE BATIMENT
1.3.1 Observations en cours de construction
La fissuration de dalles au très jeune âge, avec des fissures traversantes, sans orientations préférentielles a été observée sur un chantier de bâtiment en région parisienne (Créteil).
Deux formulations BPE ont été données par l’entrepreneur : une composition qu’on l’appelle fissurante (CF) et une autre nommée non fissurante (CNF). Ces deux formulations diffèrent par la nature des graviers et le rapport (E/C) (Tableau 1.5).
La formulation (CF) a conduit à des fissurations traversantes sur les planchers avec et sans produit de cure : apparition en surface le lendemain du bétonnage, et par suite apparition en sous-face lors du décoffrage à 72 heures. Tandis que la formulation (CNF) ne présentait pas de fissurations même en absence de produits de cure. Le coulage des deux bétons a eu lieu le mois de juin.
Figure 1.8. Exemple de Gssutatioa d’une dalle en béton au jeune âge.
1.3.2 Analyse des compositions
Le béton (CF) est formulé à partir de granulats Marolles et Saint Benoit de nature silico-calcaire poreux (absorption WA,4 plus élevée) alors que le béton CNF est composé de granulats du Boulonnais calcaires durs et compacts. On note aussi que le rapport (E/C) de CNF est inférieur à celui de (CF) (Tableau 1.5). L’annexe B présente les fiches techniques du gravier et du ciment.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
CF Masse
(Kg/m^
Graviers 4l20Marolles WA,, (2,4 %) 635 Graviers 4(20 St benoit
WA„ (0,9 %) 315
Sable 0/4 MaroUes - WA,, (0,9 %) 525 Sable 0/4 St Benoit - WA'„ (0,9 %) 255
Sable 0/03 Chexe Morigny
WA„ (0,3 %) 140
Ciment CEM II/B - S 42,5 N 270 Superplastifiant (Optima 206) 1,08
Eau efficace 162
CNF Masse
(Kg/m^
Graviers 4j20 boulonnais WA,, (0,74 %) 970
Sable 0/4 MaroUes - WA,, (0,9 %) 845 Sable 0/03 Cheze Morigny
WA„ (0,3 %) 90
Ciment CEM II/B - S 42,5 N 280 Superplastifiant (Optima 206) 2,24
Eau efficace 140
0,6
Sp/C (%) 0,4
Densité 2,36
G/S 1,03
EJC 0,5
Sp/C (%) 0,8
Densité 2,43
G/S 1,04
Vol. pâte (L) 251
Vol. granulats (L) 734
Vol. pâte (L) 233
Vol. granulats (L) 729
Tableau 1.5. Composition théorique des BPE (CF) et (CNF).
Tamis (N°)
b). CNF
Figure 1.9. Courbes granulométriques.
Avant de détailler l’analyse en laboratoire de ces deux compositions, et afin de se concentrer ensuite sur les différences majeures entre ces deux bétons, une analyse des courbes granulométriques est présentée sur la Figure 1.9 et la Figure I.IO.
Les deux courbes sont presque identiques et ne présentent pas de discontinuité (Figure 1.10). Nous pouvons donc éliminer ce paramètre, granulométrie de chaque composition, dans cette étude en laboratoire sur les paramètres influençant le comportement de ces deux bétons.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Tamis (N")
Figure I.IO. Comparaison de la courbe graaulométrique des deux compositions (CF) et (CNF).
Le béton (CNF) se caractérise par une résistance en compression moyenne supérieure à celle de la (CF). L’écart est de 48 % à l’âge de 28 jours (Figure 1.11).
Figure I.ll. Résistance en compression des deux compositions (CF) et (CNF).
D’après la formule de BOLOMEY (Eq. I-l), l’effet de E/C est responsable de 28% d’écart de résistances mécaniques en compression. En découplant les effets de la nature des granulats et du (E/C), la nature des granulats est responsable de 20% des écarts de résistances en compression. Ceci permet de conclure que le rapport (E/C) n’est pas le seul paramètre expliquant les différences entre ces deux compositions.
(Eq. I-l) Avec ; G g — 0,55 pour les granulats concassés.
1.3.3 Etude des bétons en laboratoire
L’objectif de l’étude expérimentale est d’essayer de comprendre la fissuration des compositions par les essais réalisés avec les dispositifs existants au sein du laboratoire. Comme la fissuration est appame sur des dalles de faible épaisseur, on s’intéresse donc au retrait plastique qui est très sensible pour ce type de sttucmres. De même, le suivi de la perte de masse, de la prise et de la dépression capillaire est ainsi réalisé au jeune âge. Le comportement à long terme de ces compositions est également étudié pour interpréter les différences observées au jeune âge : retrait libre (séchage et endogène) et perte de masse du béton durci, retrait empêché par essai à l’anneau et résistance en
/c* =<^5X0-28 ><Æ-0,5) E
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
compression. Le deuxième objectif est de vérifier la sensibilité des essais existants à détecter des différences significatives résultant des variations des paramètres de formulation de ces deux compositions. Cette campagne expérimentale a également pour but de voir s’il y a besoin de nouvelles méthodes expérimentales donnant des réponses complémentaires aux résultats de cette étude préliminaire.
1.3.3.1 Procédures expérimentales : jeune âge
La mise en place des essais au jeune âge a lieu environ 15 à 20 minutes après le début du malaxage, tandis que les essais à long terme commencent à l’âge de 24 heures. Tous les essais sont réalisés dans une salle climatisée à une température de 20 °C et à 50% d'humidité relative.
1.3.3.1.1 Retrait plastique
Le dispositif mis en place permet une mesure linéique horizontale d’un échantillon de béton placé dans un moule prismatique : 7 x 7 x 28 cm^ Ses quatre parois verticales sont réalisées en acier, et leur face intérieure est recouverte d’une plaque de téflon pour éviter les frottements. Les deux parois latérales de 7 x 7 cm^ sont percées d’un trou circulaire pour permettre le passage des faisceaux laser [TURCRY & LOUKILI, 06]. Le fond du moule ainsi que les parois latérales sont équipés d’une régulation thermique pour maintenir la température du béton à 20 °C, et de s’affranchir autant que possible des déformations thermiques.
Figure 1.12. Dispositif de mesure du retrait plastique : moule 7x7x28 crtF (A), enveloppe (B+C), capteurs laser (D).
Afin de minimiser les frottements béton/acier, le béton est coulé dans une enveloppe placée à l’intérieur du moule. Aussi, les frottements entre le téflon et l’enveloppe, sont minimisés par un saupoudrage du talc (Figure 1.12).
Les capteurs relèvent le déplacement des plaques de PVC entraînées par le matériau cimentaire en envoyant un faisceau laser dirigé directement sur la plaque de PVC qui réfléchit et oriente les rayons vers le récepteur laser placé à côté de l’émetteur (Figure 1.12). Ainsi, on enregistre le déplacement de la plaque de PVC en mesurant le temps de parcours d’un rayon laser entre l’émetteur et le récepteur.
La précision de ces capteurs est de ± 2 )jm. Le retrait plastique horizontal (exprimé en pm/m) est déduit en effecmant le rapport entre le déplacement mesuré pour les deux plaques et la longueur
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Le retrait endogène est mesuré à l’aide du même dispositif de retrait plastique avec couverture des faces supérieures par un film en plastique pour éviter le séchage et tout échange avec le milieu ambiant.
1.3.3.1.2 Dispositif de mesure de l’évaporation
Le suivi de la perte de masse du matériau cimentaire est réalisé en parallèle avec la mesure du retrait plastique en suivant la variation de masse à l’aide d’une balance électronique. Pour ces mesures, nous avons utilisé des moules en plastique 0 11x7 cm2. A partir de la perte de masse, on calcule le taux d’évaporation, exprimé en kg/m2, en divisant la masse d’eau évaporée par la surface soumise au séchage. Ainsi, pour une condition de séchage donnée, on peut connaître l’évaporation pour les autres dispositifs de mesure (comme le retrait plastique par exemple) en ramenant le taux mesuré à la surface de séchage concernée.
Figure 1.13. Suivi de la perte de masse.
1.3.3.1.3 Mesure du temps de prise : essai de Vicat automatisé
L’essai est réalisé sur mortier selon la norme «EN 196 - 3 » [EN 196-3, 05]. Cet essai consiste à suivre l’évolution de la consistance d’un mortier à l’aide d’une aiguille normalisée de 1,13 mm de diamètre qui, sous l’effet d’une charge de 700 g s’enfonce dans le mortier. Lorsque l’aiguille s’arrête à une distance de 4 mm ± 1mm du fond, on suppose que le début de prise est atteint et ce moment est appelé « temps de début de prise ». De même un seuil maximal est défini pour le « temps de fin de prise » correspondant au moment où l’aiguille ne s’enfonce plus que de 2 mm (Figure 1.14).
Figure 1.14. Exemple de courbe de prise par l’essai Vicat automatisé.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
La mesure du temps de prise est réalisée sur du mortier obtenu en tamisant le béton à l’aide d’un tamis de 5 mm pour avoir les mêmes propriétés que les bétons étudiés. L’appareil est un prisomètre automatique (Figure 1.15) qui permet d’effectuer automatiquement les mesures suivant une procédure normalisée. Les moules sont placés dans un bac d’eau régulée à 20 °C afin d’éviter le séchage des mortiers et d’assurer une température constante lors de l’essai. Il faut noter que cette mesure -sous eau- ne correspond pas aux conditions de l’essai de retrait, pour lequel le temps de prise peut être différent, mais donne une indication très intéressante pour l’interprétation des résultats.
Figure 1.15. Suivi de la prise par essai Vicat automatisé.
[SLEIMAN et al., 10] montrent qu’ü est possible d’obtenir des informations importantes concernant la prise du béton en effectuant une modification sur la procédure Vicat classique. La méthode consiste à suivre la masse apparente de l’aiguille qui varie selon la déformation de la pâte. La variation de la masse est liée à l’augmentation de la contrainte limite dans le béton au cours de l’avancement de la prise.
I.3.3.2 Procédures expérimentales : comportement à long terme 1.3.3.2.1 'Retrait libre
La mesure du retrait s'effectue sur éprouvette prismatique, de dimensions lyilyi2% cm^, équipée de plots métalliques à chaque extrémité. L'éprouvette est placée verticalement entre une bille métallique et un capteur LVDT, qui permet le suivi de sa longueur. Les mesures se font par acquisition automatique toutes les heures.
Les éprouvettes sont démoulées 24 heures après le contact eau/ciment et conservées à 20 +_ 2°C et 50 + 5% d’humidité relative. Les éprouvettes servant aux mesures du retrait endogène sont recouvertes dès le décoffrage d’une double couche croisée d’un ruban adhésif en aluminium de façon à empêcher tout échange hydrique avec le milieu extérieur (Figure 1.16). Les éprouvettes utilisées pour la mesure du retrait total sont recouvertes sur leurs extrémités d’une feuille adhésive en aluminium : le séchage se fait uniquement sur les quatre faces latérales, c’est-à-dire dans les mêmes conditions que l’éprouvette de mesure de la perte de masse. Ceci permet aussi de limiter la flexion de
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
Figure 1.16. Vue schématique des Bâtis de mesure du retrait libre avec acquisition automatique : éprouvette recouverte d’une double couche d’aluminium adhésif (à gauche) pour le suivi du retrait endogène,
et éprouvette revêtue seulement sur ses faces supérieure et inférieure pour le suivi du retrait total (à droite).
Afin de mieux corréler le retrait de dessiccation au séchage, le suivi de la perte de masse d’une éprouvette exposée au séchage (identique à celle utilisée pour le suivi du retrait total) est réalisé en parallèle au suivi du retrait.
1.3.3.2.2 dirait empêché : essai à l’anneau
L'essai le plus courant, car le plus simple, est l'essai à l'anneau de fissuration qui rentre dans la catégorie des dispositifs de fissuration passifs. La méthode consiste à couler un anneau de béton autour d’un anneau en acier où des jauges de déformations sont placées à l’intérieur pour mesurer les déformations dues au retrait du béton [TURCRY, 04], [BENTUR&KOVLER, 03] et [WEISS, 99].
Quand le béton se rétrécit une déformation se produit dans l’anneau en acier qui est équilibrée par une déformation de traction dans le béton.
Une entaille est placée dans le béton afin de créer un défaut et repérer la position de la fissure. Quand les fissures apparaissent dans le béton (Figure 1.17), la déformation et par suite la contrainte dans l’anneau en acier sont libérées. L’épaisseur de l’anneau est de 7 cm (identique à celle des éprouvettes (7x7x28 cm^) du retrait plastique et du retrait durci).
Entaille
Figure 1.17. Schéma et photo de l’atmeau métallique pour le retrait empêché.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
En mesurant la déformation de l’anneau métallique (notéé ej à l’aide des jauges de déformations, ü est possible de calculer la contrainte maximale dans le béton. Cette dernière est donnée par l’équation suivante (Eq. 1-2) où K est une constante fonction des propriétés élastiques de l’acier (module d’élasticité et coefficient de poisson et de la géométrie de l’anneau [TURCRY, 04].
C7,{R,) = K.8^{R,) (Eq. 1-2)
L’anneau de béton (Figure 1.17) subit un séchage de la face supérieure soit dès le début (Figure 1.18.b), soit après 24 heures (Figure 1.18.a). A 24 heures, on démoule de façon que l’anneau subisse du séchage de la face inférieure et supérieure pour simuler la réalité des dalles en chantiers.
Mesures
---► , 2A
Séchageface inférieure et supérieure ^
(heUFBS)
h Mesures
2A
^ I4IWC ÿUOclicUlc ♦ Séchage face inférieure ^
h
Figure 1.18. Méthodes d’exposition au séchage des anneaux de béton.
1.3.3.2.3 Résistances mécaniques
Les éprouvettes utilisées dans l’essai de compression sont des éprouvettes cylindriques (11x22) cm.
Les éprouvettes sont rectifiées à l’aide d’un disque diamanté, pour obtenir 2 faces planes et parallèles.
Ensuite les éprouvettes sont centrées entre une plaque et une presse hydraulique de 3000 KN. Le chargement est contrôlé en force, à raison de 0,5 à 0,7 KN par seconde. La résistance à la traction est également mesurée sur des éprouvettes (11x22) cm à l’aide d’une presse hydraulique pouvant fournir une force de 0 à 200 KN. L’éprouvette est placée horizontalement dans un dispositif muni de deux plateaux parallèles.
La résistance en traction est obtenue en utilisant l’équation suivante (Eq. 1-3) :
(Eq.I Avec : - A : Diamètre de l’éprouvette (11 cm)
- H : Hauteur de l’éprouvette (22 cm)
- F : Force appliquée par la presse hydraulique
Il faut noter que la résistance à une échéance donnée est déduite de la moyenne des résistances de deux ou trois éprouvettes en compression comme en traction.
2F 0,637F ' ~ YUH ~ AH
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
1.3.4 Résultats et interprétation 1.3.4.1 Etude du béton au jeune âge 1.3.4.1.1 Retrait plastique
La Figure 1.19 montre que le retrait plastique du béton (CNF) est pratiquement le double que le béton (CF). Le retrait endogène est identique et faible pour les deux compositions par rapport au retrait plastique avec dessiccation. Il y a un croisement des deux courbes et inversion de tendances.
Cette observation va dans le sens d’une tendance à la fissuration plus élevée pour la (CF), mais l’écart n’est pas significatif.
Ces résultats permettent de dire que la fissuration de ces compositions ne peut pas être expliquée par les tendances obtenues en retrait plastique : d’autres phénomènes ont favorisé la fissuration du béton (CF).
Figure 1.19. Retrait plastique et temps de pise de (CF) et (CNF).
1.3.4.1.2 Perte de masse — taux d’évaporation
Les deux compositions (CF) et (CNF) possèdent le même taux d’évaporation au très jeune âge, puis l’écart augmente à partir de 24 heures (Figure 1.20). Après une semaine, la perte de masse du béton (CF) est 30% supérieure à celle de (CNF) et ceci peut être expliqué par la différence des rapports (E/C).
Figure 1.20. Taux d’évaporation de (CF) et de (CNF) jusqu’à l’âge de 8 jours.
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
1.3.4.1.3 trait empêché
Cet essai est réalisé avec les conditions de séchage les plus sévères, en d’autres termes avec séchage de la face supérieure de l’anneau dès le contact eau-ciment (Figure I.lS.b). D’après la Figure 1.21, le comportement est presque identique pour les deux compositions avant l’âge de 24 heures. Ensuite, la (CNF) subit une déformation supérieure à celle de la (CF) qui témoigne d’une capacité de déformation supérieure. Cette observation va dans le même sens du retrait plastique avec séchage.
On se limitera pour la suite du travail à la présentation de la courbe des contraintes développées par retrait partiellement empêché.
Figure 1.21. Déformations et contraintes développées dans Panneau dues au retrait empêché des bétons (CF) et (CNF) avant l’âge de 48 heures.
I.3.4.2 Etude de la sensibilité à la fissuration du béton durci (après 24 heures) I.3.4.2.1 Vitrait total et endogène
La Figure 1.22 présente les déformations libres des deux compositions à partir de l’âge de 24 heures.
Le retrait total de la (CF) est légèrement supérieur à celui de la (CNF) alors que son retrait endogène est plus faible. Cette tendance peut s’expliquer par le rapport (E/C) plus faible de la (CNF). En effet, le retrait endogène avec un faible (E/C) croit plus rapidement suite à la diminution importante de l’humidité relative par auto-dessiccation [BOIVIN, 99], [HORI et al, 98] et [HOLT, 04].
On se limitera pour la suite de travail à la présentation des courbes de retrait en échelle logarithmique vu leur meilleure lisibilité pour les premiers jours (jeune âge).
500
3(0 I 200
-CF (Total) -•-CNF (Total)
^CNF (Endogène) -*-CF (Endogène)
10 500
.i 400
3E
«O 300 w3
(A
^
200100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Age (jours)
100
CF (Total) -■-CNF (Total) -B-CNF (Endogène) -ù-CF (Endogène)
Chapitre I. Du chantier au laboratoire
1.3.4.2.2 Retrait de dessiccation et perte de masse
En supposant que le retrait total est la somme du retrait de dessiccation et du retrait endogène, la soustraction du retrait endogène du retrait total donne l’évolution du retrait de dessiccation. Il s’agit d’une approche simple qui ne prend pas en compte les éventuels couplages entre l’hydratation et le séchage [BAROGHEL-BOUNY & GODIN, 01].
D’après la Figure 1.23, le retrait de dessiccation de la (CNF) à court terme (avant l’âge de 8 jours) est plus important. Après 8 jours, les tendances s’inversent vu que le retrait de dessiccation joue un effet dominant par rapport au retrait endogène. Ces résultats sont cohérents avec l’influence du rapport (E/C) sur le retrait endogène et de dessiccation.
Afin d’expliquer le comportement de ces deux compositions vis-à-vis du retrait de dessiccation, un suivi de la perte de masse du même type d’éprouvettes (7x7x28 cm^) est réalisé en même temps que la mesure du retrait. On remarque d’après la Figure 1.23 que la perte de masse de (CF) est plus importante compte tenu d’un (E/C) élevé (0,6).
Figure 1.23. Retrait de dessiccation calculé de (CF) et de (CNF) (à gauche) ainsi que la perte de masse des éprouvettes (7x7x28 cnF) soumis au séchage (à droite).
I.3.4.2.3 Retrait empêché : essai à l’anneau
Le principe de cet essai est décrit dans le paragraphe (I.3.3.2.2). Après avoir coulé le béton autour de l’anneau métallique, ce dernier est conservé dans la salle climatisée à 20 °C et à 50% d'humidité relative couvert d’une feuille de plastique pour éviter tout séchage pendant les 24 premières heures.
Les mesures commencent à partir de l’âge de 24 heures.
Figure 1.24. Contraintes développées dans l’anneau de (CF) et de (CNF) jusqu’à l’âge de 5 mois.
Chapitre 1, Du chantier au laboratoire
D’après la Figure 1.24, le comportement des deux bétons est presque identique. Au cours du premier mois, les contraintes dans l’anneau augmentent pour atteindre un palier. Ensuite, elles se relaxent avec le temps, surtout pour (CF). Il faut rappeler que ces deux compositions n’ont pas fissuré au bout de 5 mois, alors que la fissuration est appame dans les premiers jours après le coulage sur chantier. Il faut donc réfléchir à des moyens de mesure pertinents pour mieux caractériser le comportement du béton au laboratoire et représenter le mieux possible la réalité des conditions sur chantier en prenant en compte l’effet du fluage sur le comportement du béton en conditions restreintes.
1.3.5 Bilan des essais de laboratoire
Après cette série d’essais sur les deux formulations de chantier (CF) et (CNF), nous dressons le bilan suivant :
> Composition :
• Formulation : la (CF) contient des granulats silico-calcaires (Abs. = 2,4%) avec un (E/C) de 0,6 et la (CNF) des granulats calcaires (Abs. = 0,74%) avec un (E/C) de 0,5.
• Granulométrie : les deux compositions ont une courbe granulométrique identique.
> Comportement du béton au jeune âge :
• Le retrait plastique de séchage de la (CNF) est plus important que celui de la (CF)
• Le retrait endogène est faible pour les deux compositions.
Il y a croisement des deux courbes et inversion de tendances.
• La perte de masse au jeune âge du béton (âge < 24h) est identique pour les deux compositions. Après 24 heures, la perte de masse de la (CF) devient plus importante.
• La fin de prise de la (CF) est plus lente par rapport à la (CNF) ; l’intervalle entre le début de prise et la fin de prise pour la (CF) est plus étendu.
• Les deux compositions ont un comportement similaire par rapport au retrait empêché par anneau au jeune âge (âge < 24h). Après l’âge de 24 heures, les contraintes et les déformations de la (CNF) deviennent plus importantes par rapport à la (CF).
> Comportement à long terme :
• Retrait total :
A court terme (< 8 jours) ; le retrait total de la (CNF) est supérieur à celui de la (CF). A long terme : le retrait total de la (CF) devient plus important par rapport à la (CNF).
• Retrait endogène : ce dernier est plus important pour la (CNF) par rapport à la (CF).
• Perte de masse : elle est plus importante pour la (CF) en comparant avec celle de la (CNF).
