Contribution à la modélisation du fluage des bétons

(1)

N° d’ordre :

Série :

Thèse

Présentée en vue de l’obtention du Diplôme de

Magister

En Génie Civil

Option : Matériaux

de construction

Par : BOUKEZZOULA Amira

Intitulée :

Directeur de thèse : Prof. LASSOUED Rachid

Co-encadrant : Mc. CHABANE Abdelhafid

Devant la commission d’examen composée de :

Président Pr. GUETTECHE N. Université Constantine 01

Examinateurs Mc. BENTALHA M. Université Constantine 01 Pr. CHABIL H. Université Constantine 01 MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET

DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE CONSTANTINE I

Faculté des Sciences de la Technologie Département : Génie Civil

يلعتلا ةرازو ــ لاعلا م ــ حبلا و ي ــ ملعلا ث ـ ي عماج ـ ـــــ ـ نيطنسق ة ـــــــ ــ ة 1 ك ل ةــيـ ةيجولونكتلا مولع مسق : ةيندملا ةسدنهلا

Contribution à la modélisation du fluage

des bétons

(2)

REMERCIEMENTS

Je tenais tout d’abord à exprimer toute ma reconnaissance à mon directeur de thèse

M. LASSOUED Rachid, professeur à l’université Constantine 01, pour sa rigueur

scientifique, ses critiques constructives et ses conseils avisés. Je le remercie chaleureusement pour son énergie et le temps précieux consacré à l’étude numérique, ainsi que son dévouement dans le suivi de ce travail.

J’exprime ma plus sincère gratitude à mon Co-encadreur M. CHABANE Abdelhafid, Maître de Conférences à l’Université Constantine 01, avec qui j’ai beaucoup appris et qui m’a assuré son soutien, ses conseils et sa disponibilité tout au long de ces deux années. Je lui suis particulièrement reconnaissante de m’avoir épaulée lors de certaines périodes laborieuses.

Je tiens à exprimer mes plus vifs remerciements à M. GUETTECHE Nacer, professeur à l’université Constantine 01 d’avoir présidé mon jury de thèse,

Je suis également très reconnaissante à Mme. BENTALHA Malika, Maître de Conférences à l’Université Constantine 01, et à M. CHABIL Houcine, professeur à l’université Constantine 01, pour avoir accepté de participé à mon jury de thèse, et de consacrer du temps pour la lecture et le jugement de ce travail.

Ces deux années de thèse ont été particulièrement agréables et ce n’est pas sans tristesse qu’il me faut les finaliser. J’exprime ici toute ma sympathie à tous les enseignants du Département de Génie Civil de l’université Constantine 01sans exception, à ma collège et très chère amie BOUDRAA Sara avec qui j’ai passé d’excellents moments, à M.BENSEBTI pour sa bonne humeur et pour le temps qu’il m’a accordé malgré ses charges académiques, à tous les membres du laboratoire LMDC de l’université Constantine 01 et aux étudiants du Master 02 pour l'aide qu'ils ont pu m'apporter au cours de ma thèse.

Je voudrais enfin remercier ma famille, ma belle-famille, mon fiancé (qui a été d’une extrême diplomatie lors de ces derniers mois) et mes ami(e)s pour leurs encouragements, et leur aide.

Je pense plus particulièrement à mes parents pour leur soutien indéfectible, à mes frères et sœurs qui se sont largement mis à contribution lors du sprint final, et qui m’ont supportée courageusement lors des différentes étapes qui m’ont menée à la mise en œuvre de ce modeste travail.

(3)

LISTE DES TABLEAUX

CHAPITRE 01

Tableau 1-1 spécificités les plus courantes d’un BAP à l’état frais [ELHILALI.A, 09]. 37 Tableau 1-2 Influence des ajouts du béton sur le fluage et le retrait

R : Pourcentage en masse de l’ajout par rapport à la masse du ciment. [CHABANE, 08]

60

Tableau 1-3 Comparaison des essais de fluage en traction. 67

Tableau 1-4 présentation de la fonction de complaisance des quatre modèles étudiés. 71 Tableau 1-5 Prédiction du module d'élasticité des quatre modèles étudiés. 72 Tableau 1-6 Domaines de validité annoncés des sept modèles de prédiction étudiés. 72

Tableau 1-7 Paramètres de composition des bétons et de conditions environnementales requis pour chaque modèle étudié.

73

Tableau 1-8 1en fonction du type ciment, selon le modèle B3. 79

Tableau 1-9 2en fonction de la condition de cure, selon le modèle B3 79

Tableau 1-10 k Semblable à ACI 209. 80

Tableau 1-11 sc en fonction du type de ciment, selon le modèle CEB MC90. 86 CHAPITRE 02

Tableau 2-1 composition chimique du clinker. 92

Tableau 2-2 composition mineralogique du clinker. 92

Tableau 2-3 proprietes physiques du ciment 93

Tableau 2-4 resistances mecaniques du ciment (bars) 93

Tableau 2-5 caracteristiques physiques du filler alcal f20 94 Tableau 2-6 composition chimique du filler calcaire alcal f20 94 Tableau 2-7 caracteristiques physiques du filler alcal uf05 95 Tableau 2-8 composition chimique du filler calcaire alcal uf5 96 Tableau 2-9 caracteristiques geometriques des granulats utilises. 97 Tableau 2-10 caracteristiques physiques des granulats utilises 98 Tableau 2-11 caracteristiques mecaniques des granulats utilises 98 Tableau 2-12 caracteristiques chimiques des granulats utilises 99

Tableau 2-13 composition chimique de l’eau 100

Tableau 2-14 designation des differents betons etudies 101

Tableau 2-15 la composition d’un metre cube des betons d’etude 101

Tableau 2-16 sequençage des essais a l'etat frais 106

Tableau 2-17 caracterisation a l’etat frais des differents melanges 106 Tableau 2-18 cinetiques de durcissement des differentes compositions a diverses

echeances

115

Tableau 2-19 valeurs des resistances mecaniques en traction par flexion 3 points des differents melanges a differentes echeances

116

(4)

CHAPITRE 03

Tableau 3-1 proprietes importantes de tous les melanges 120

Tableau 3-2 caracterisation des poutrelles utilisees, et mesures effectuee pour l’etude du comportement sous chargement des melanges en flexion

121

Tableau 3-3 charges et fleches de rupture a 7 jours sur poutrelles des differents melanges etudies

124

Tableau 3-4 module d'elasticite a 7 jours des poutrelles confectionnees avec les differents betons etudies.

125

Tableau 3-5 caracteristiques des materiaux testes. 127

Tableau 3-6 valeurs et taux des charges a maintenir sur les poutrelles 127 Tableau 3-7 influence du taux de chargement sur les fleches instantanees des

differents betons etudies.

134

Tableau 3-9 coefficient de fluage a 90 jours des betons etudies pour un taux de chargement de 20 %.

150

Tableau 3-10 coefficient de fluage a 90 jours des betons etudies pour un taux de chargement de 40%.

151

CHAPITRE 04

Tableau 4-1 : valeurs des parametres utilises dans les modeles reglementaire de prediction du fluage

156

Tableau 4-2 resultats relatifs a la resistance a la compression. 157

Tableau 4-3 resultats relatifs aux modules d’elasticite 158

Tableau 4-4 resultats relatifs aux coefficients de fluage pour un taux de chargement de 20 %

160

Tableau 4-5 resultats relatifs aux coefficients de fluage pour un taux de chargement de 40 %167

161

Tableau 4-6 fleches instantanees experimentales et predites par les differents modeles du bap uf05 0.1

162

Tableau 4-7 fleches instantanees experimentales et predites par les differents modeles du bap uf05 0.2

164

Tableau 4-8 fleches instantanees experimentales et predites par les differents modeles du bap uf20 0.2.

165

Tableau 4-9 coefficients de calage des courbes experimentales et theoriques 175 Tableau 4-11 facteur de correction entre le modele ec2 et la courbe experimentale 181 Tableau 4-12 rapport de translation entre courbes experimentales 184

(5)

LISTE DES FIGURES

CHAPITRE 01

Figure 1-1 Ouvrages antiques en béton: la Pyramide d'Abou Rawash, le Colisée, le Panthéon et le Pont du Gard

[DIEDERICH, 10] 07

Figure 1-2 contexte de développement du BAP au Japon [DIEDERICH, 10] 08

Figure 1-3 Observation au microscope électronique à balayage de grains de C3S.

[CARATINI, 12] 09 Figure 1-4 Le développement progressif des hydrates dans une pâte de

ciment en cours d’hydratation. Source : la durabilité des bétons

[LISSANDRE, 06] 10

Figure 1-5 Courbe calorimétrique de l’hydratation d’un ciment Portland

[GARTNER, 02] 11

Figure 1-6 Schéma récapitulatif de l’hydratation de deux grains de ciment. [GOTO, 06] 12 Figure 1-7 les constituants de ciment hydraté sous microscope électronique

à balayage à l’échelle du 10μm /1μm

[CARATINI, 12] 12

Figure 1-8 Gel de C-S-H [GOTO, 06] 13

Figure 1-9 Observation au microscope électronique à balayage. a) de cristaux de portlandite dans une Pate de C3S. b) pâte de ciment

durcie avec des oursins de CSH et au centre un cristal de portlandite

[CARATINI, 12] 13

Figure 1-10 L’ettringite [GOTO, 06] 14

Figure 1-11 Monosulfoaluminate [GOTO, 06] 14

Figure 1-12 Représentation schématique :

a) Des feuillets de C-S-H, b) du C-S-H et de l'état de l'eau qui y est associé.

[REGOURD, 82] 15

Figure 1-13 État de l’eau dans le gel de C-S-H selon Sierra. [BENBOUDJEMA, 02] 15 Figure 1-14 Description idéalisée de l’eau dans les zones d’adsorption

empêchée et de la transition avec les pores capillaires.

[BENBOUDJEMA, 02] 16

Figure 1-15 les différentes dimensions des pores de la pâte de ciment hydratée.

[CARATINI, 12] 17

Figure 1-16 Microstructure de la zone de contact entre la pâte et le granulat. [DE SA, 07] 17 Figure 1-17 Volumes relatifs de pate de ciment différents pour un béton vibré

et un SCC

[ASSIÉ, 04] 20

Figure 1-18 Action des super-plastifiants - Défloculation des grains de ciment

[BETHMONT, 05] 21

Figure 1-19 Influence de la qualité du superplastifiant sur l'étalement et la viscosité d'un béton.

(6)

Figure1-21 formulation qualitative du BAP d'apres [OKAMURA, 03] 25 Figure 1-22 Réduction du volume de gravillon à la moitié de sa compacité. [TABET, 11] 30 Figure 1-23 Recherche du dosage en eau et en superplastifiant : écoulement

relatif T en fonction de l'étalement relatif D.

[TABET, 11] 31

Figure 1-24 Essai d’étalement au cône d’Abrams (slump flow). 33

Figure 1-25 l’essai de l’anneau Japonais. [ELHILALI.A, 09] 34

Figure 1-26 Essai de la boite en L (L-box test). [ELHILALI.A, 09] 35

Figure 1-27 Essai du tube en U [ELHILALI.A, 09] 35

Figure 1-28 Essai du caisson. [ELHILALI.A, 09] 35

Figure 1-29 Essai de la passoire [ELHILALI.A, 09] 35

Figure 1-30 Essai de stabilité au tamis [HAIFI.M.R, 11] 36

Figure 1-31 Essai de l’entonnoir en forme de V [HAIFI.M.R, 11] 36

Figure 1-32 Essai de ressuage [HAIFI.M.R, 11] 36

Figure 1-33 Mesure de l’air occlus à l'aide d’un aéromètre [KHALIFA, 09] 38

Figure 1-34 Mesure de la masse volumique réelle [KHALIFA, 09] 38

Figure 1-35 Mesure de la résistance à la compression des 16x32 cm. 39

Figure 1-36 Mesure de la résistance à la traction par flexion des 4x4x16 cm. 39 Figure 1-37 Développement des résistances à la compression en fonction du

temps

[KLAU, 02] 40

Figure 1-38 Résistances en compression. [HADDAD, 04] 40

Figure 1-39 Résistance à la compression à 28 jours en fonction du pourcentage de fillers

[TALEB, 09] 41 Figure 1-40 Comparaison des modules d'élasticité de BAP et de bétons vibrés

avec leurs valeurs expérimentales.

[KLAU, 02] 41 Figure 1-41 Retraits des BAP B1 (E/C=0,50), BAP J(E/C=0,43) et BO0

(E/C=0,45).

[TABET, 11] 42

Figure 1-42 Séparation conventionnelle des déformations différées. [PONS & TORRENTI, 08] 44 Figure 1-43 Les différents types de retrait et leurs mécanismes [MAKANI, 11]. 46 Figure 1-44 Identification expérimentale des composantes de fluage. [BENBOUDJEMA, 05] 47

Figure 1-45 Représentation des mécanismes de fluage. [MAKANI, 11] 47

Figure 1-46 Représentation simplifiée du fluage propre [SALIBA, 12]. 48 Figure 1-47 La déformation du fluage propre en fonction de l’âge de

chargement.

(7)

Figure 1-48 Mécanismes physiques à l’origine du fluage propre à court terme (a) et à long terme (b), d’après Ulm & al. (1999).

[BENBOUDJEMA, 02] 50

Figure I-49 Évolution des complaisances de fluage propre selon. [REVIRON, 09] 50 Figure 1-50 Evolution des complaisances de fluage propre selon Atrushi. [ATRUSHI, 03] 51 Figure 1-51 Fluage propre en flexion de la poutre D1 pour des taux de chargement

de 36 %, 60 % et 80 % (déplacement initial retranché).

[OMAR, 04] 52

Figure 1-52 Fluage propre en flexion des poutres D1, D2 et D3 pour un taux de chargement de 80 % (le déplacement initial a été retranché).

[OMAR, 04] 52

Figure 1-53 État de contrainte d’une éprouvette en dessiccation chargée. [BAL, 09] 54

Figure 1-54 Déformation d’une pâte de ciment d’épaisseur 1.9 mm [DAY & AL, 84]. 54

Figure 1-55 Déformation de fluage de dessiccation d’un béton. [GAMBLE & PARROTT, 78]

55

Figure 1-56 Fluage total spécifique : effet de l’âge de chargement et la teneur en pâte de ciment (C32 = 32% de pâte, C27 = 27 % de pâte et

C22 = 22 % de pâte, éprouvettes chargées à 7 jours).

[BISSONNETTE & AL, 07] 57

Figure 1-57 Evolution du fluage en traction à différents âges de chargement [ØSTERGAARD & AL, 01] 58

Figure 1-58 Evolution du fluage en traction avec le niveau de chargement [ØSTERGAARD & AL, 01] 58

Figure 1-59 Influence du type de ciment sur la déformation de fluage propre. [LADAOUI, 10] 59

Figure 1-60 Influence du dosage en ciment sur la déformation du béton. [CHABANE, 08] 59

Figure1-61 Déformation de fluage en fonction du temps pour divers types de granulats. Ce diagramme montre toute l’importance du choix du

granulat pour optimiser le comportement, d’après.

[NEVILLE, 00] 60

Figure 1-62 Influence de : a) la température, b) l’humidité relative sur le fluage.

[NEVILLE, 95] 61

Figure 1-63 Evolution de la déformation de fluage à différentes températures. [PERTUÉ, 08] 61

Figure 1-64 Influence de la dimension des éprouvettes sur le fluage du béton. [ZREIKI, 09] 62

Figure 1-65 Evolution de la fonction de fluage à 20°C en fonction du taux et des âges de chargement

[PERTUE.08] 63

Figure 1-66 Courbes de la déformation de fluage ε et allures des cinétiques associées au dépassement des seuils de contrainte σ.

[BERTHOLT, 03] 64

Figure 1-67 Evolution de la déformation de fluage en fonction du temps, sous charge modérée (1) et sous charge intense (2) pouvant conduire à

la rupture par fluage tertiaire.

[THAI, 12] 64

Figure 1-68 Fluage spécifique C (t, t’) en traction et compression [NEVILLE & AL, 83] 65

Figure 1-69 Déformation de traction et compression à différents âges. [NEVILLE & AL, 83] 65

(8)

Figure 1-72 Vue d’ensemble du bâti de fluage en traction. [REVIRON, 09] 67

Figure 1-73 Dispositif de fluage en flexion 3 points [EDOUARD, 03] 68

Figure 1-74 Représentation du rayon moyen h0. [Eurocode02, 01] 82

CHAPITRE 02

Figure 2-1 repartition granulometrique du filler alcal f20 95

Figure 2-2 repartition granulometrique du filler alcal uf5. 96

Figure 2-3 courbes granulometriques des granulats. 97

Figure 2-4 essai d’etalement. 103

Figure 2-5 essai de la boite en l. 103

Figure 2-6 essai de la stabilite au tamis. 104

Figure 2-7 essai de l’entonnoir. 104

Figure 2-8 mesure de l’air occlus a l'aide d’un aerometre. 105

Figure 2-9 l’etalement des differents melanges 106

Figure 2-10 la densite mesuree des differents betons d’etude. 107

Figure 2-11 l’air occlus des differents melanges. 108

Figure 2-12 la stabilite des differents betons d’etude 108

Figure 2-13 rapport a la boite en l des differents betons d’etude 109

Figure 2-14 temps d’ecoulement au v-funnel des differents betons etudies 109 Figure 2-15 geometrie et conservation des differentes eprouvettes d’etude 111

Figure 2-16 essai de compression. 112

Figure 2-17 essai de traction par flexion 3 points 112

Figure 2-18 appareillage de mesure du module elastique longitudinal en compression

113

Figure 2-19 representation graphique des valeurs des resistances mecaniques en compression uniaxiale des differents melanges a diverses

echeances.

114

Figure 2-20 representation graphique des cinetiques de durcissement des differentes compositions a diverses echeances.

115

Figure 2-21 representation graphique des valeurs des resistances mecaniques en traction par flexion 3 points des differents melanges a

differentes echeances.

116

(9)

jours.

CHAPITRE 03

Figure 3-1 poutrelle utilisee pour l’etude du comportement des melanges en flexion quatre points

121

Figure 3-2 dispositif d’essai monotone croissant en flexion quatre points. 121

Figure 3-3 mesures de la charge et de la fleche de rupture 122

Figure 3-4 representation graphique des charges de rupture des differents melanges etudies

122

Figure 3-5 representation graphique des fleches de rupture a 7 jours des differents melanges etudies

124

Figure 3-6 representation graphique des modules d'elasticite pour les poutrelles des differents betons etudies

124

Figure 3-7 bati de fluage. [CHABANE, 00] 125

Figure 3-8 chargement des poutrelles 128

Figure 3-9 diagrammes de l’effort tranchant et du moment flechissant 130

Figure 3-10 trancon de poutrelle flechie montrant 131

Figure 3-11 diagramme des deformations 131

Figure 3-12 diagramme des contraintes 131

Figure 3-13 section droite de la poutrelle 131

Figure 3-14 diagramme du moment flechissant (methode de

verechtchaguine)

132

Figure 3-15 influence du taux de chargement sur les fleches instantanees du beton bap uf5 0.1.

134

Figure 3-16 influence du taux de chargement sur les fleches instantanees du beton bap uf5 0.2

135

Figure 3-17 influence du taux de chargement sur les fleches instantanees du beton bap uf20 0.2

137

Figure 3-18 influence du taux de chargement sur les fleches totales du beton bap uf5 0.1

137

138

139

Figure 3-21 influence du taux de chargement sur les fleches de fluage du beton bap uf5 0.1

139

Figure 3-22 influence du taux de chargement sur les fleches de fluage du beton bap uf5 0.2

(10)

beton bap uf20 0.2

Figure 3-24 influence du rapport f/l sur la fleche instantanee des differents bap pour un taux de chargement de 20%

141

Figure 3-25 influence du rapport f/l sur la fleche instantanee des differents bap pour un taux de chargement de 40%

142

Figure 3-26 influence du rapport f/l sur les fleches totales des betons autoplaçants pour un taux de chargement de 0 %

142

Figure 3-27 influence du rapport f/l sur les fleches totales des bap pour un taux de chargement de 20% de la charge de rupture

143

Figure 3-28 influence du rapport f/l sur les fleches totales des bap pour un taux de chargement de 40% de la charge de rupture

144

Figure 3-29 influence du rapport f/l sur le fluage des bap pour un taux de chargement de 20% de la charge de rupture

145

Figure 3-30 influence du rapport f/l sur le fluage des bap pour un taux de chargement de 40% de la charge de rupture

145

Figure 3-31 influence de la finesse du filler calcaire sur la fleche instantanee des differents bap pour un taux de chargement de 20%

146

Figure 3-32 influence de la finesse du filler calcaire sur la fleche instantanee des differents bap pour un taux de chargement de 20%

146

Figure 3-33 influence de la finesse du filler calcaire sur les fleches totales des betons autoplaçants pour un taux de chargement de 0 %

147

Figure 3-34 influence de la finesse du filler calcaire sur les fleches totales des bap pour un taux de chargement de 20% de la charge de

rupture

148

Figure 3-35 influence de la finesse du filler calcaire sur les fleches totales des bap pour un taux de chargement de 40% de la charge de

rupture.

148

Figure 3-36 influence de la finesse du filler calcaire sur le fluage des bap pour un taux de chargement de 20% de la charge de rupture

149

Figure 3-37 influence de la finesse du filler calcaire sur le fluage des bap pour un taux de chargement de 40% de la charge de rupture.

149

Figure 3-38 comparaison entre les fleches totales a 90 jours et les fleches statiques des betons.

149

Figure 3-39 representation graphique des coefficients de fluage a 90 jours des betons etudies pour un taux de chargement de 20%

151

Figure 3-40 representation graphique des coefficients de fluage a 90 jours des betons etudies pour un taux de chargement de 40%

151

CHAPITRE 04

Figure 4-1 representation graphique des resultats relatifs a la resistance a la compression

157

Figure 4-2 representation graphique des resultats relatifs aux modules d’elasticite

159

Figure 4-3 representation graphique des resultats relatifs aux coefficients de fluage pour un taux de chargement de 20 %

(11)

Figure 4-4 representation graphique des resultats relatifs aux coefficients de fluage pour un taux de chargement de 40 %

160

Figure 4-5 representation graphique fleches instantanees experimentales et predites par les differents modeles du bap uf05 0.1 pour un

taux de chargement de 20%

161

Figure 4-6 representation graphique des fleches instantanees experimentales et predites par les differents modeles du bap

uf05 0.1 pour un taux de chargement de 40%

163

uf05 0.2 pour un taux de chargement de 20%.

163

164

uf20 0.2 pour un taux de chargement de 40%.

166

Figure 4-11 fleches de fluage total experimentales et predites par les differents modeles du bap uf05 0.1 pour un taux de chargement

de 20%

166

de 40%

166

de 20%

168

de 40%.

168

de 20%.

169

de 40%.

169

Figure 4-17 representation graphique de la linearite au cours du temps entre la fonction de fluage correspondant a 20 % et a 40% pour

le bap uf05 0.1.

170

(12)

le bap uf20 0.2178.

170

Figure 4-20 viscoelasticite decrite par le modele de kelvin-voigt. 172

Figure 4-21 representation graphique des courbes experimentales donnees par l’origin.8 pour le bap uf5 0.1.

172

173

174

Figure 4-24 representation graphique des courbes theoriques donnees par l’origin.8 pour le bap uf5 0.1.

176

177

Figure 4-27 representation graphique du calage des courbes de l’ec02 vers les courbes experimentales pour le bap uf5 0.1.

179

180

Figure 4-30 courbes representatives du passage d’un bap f/l 0.1 bap f/l 0.2

182

Figure 4-31 courbes representatives du passage d’un bap uf 05 bap uf 20

183

Figure 4-32 courbes representatives du passage d’un bap uf 05 bap uf 20

(13)

TABLE DES MATIERES

Introduction générale ………....1

Chapitre 01. Etat de l’art ...………..………..4

1.1 Introduction ... 5

1.2 Présentation du matériau béton ... 5

1.2.1 L’histoire du béton ... 5

1.2.2 L’hydratation de la pâte de ciment ... 7

1.2.2.1 La structure de la pâte de ciment hydratée ... 7

1.2.2.2 Mécanismes d’hydratation d’un ciment Portland ... 8

1.2.2.3 Les constituants de la pâte de ciment hydratée ... 10

1.2.2.4 L’eau dans la pâte de ciment hydratée ... 12

1.2.2.5 La porosité de la pâte de ciment hydraté ... 14

1.3 Généralités sur les bétons autoplaçants ... 15

1.3.1 Définition ... 15

1.3.3 L’utilisation des BAP ... 17

1.3.4 Particularités de la composition des BAP ... 18

1.3.4.1 Un volume de pâte élevé... 18

1.3.4.2 L'emploi de superplastifiant ... 18

1.3.4.3 L’utilisation éventuelle d’un agent de viscosité (rétenteur d’eau) ... 20

1.3.4.4 Un faible volume de gravillon ... 21

1.3.4.5 Une quantité de fines (Ø < 80 μm) importante ... 21

1.3.5 Les fillers calcaires ... 21

1.3.5.2 Influence des fillers calcaires sur les paramètres rhéologiques des BAP ... 23

1.3.6 La formulation des bétons autoplaçants ... 23

1.3.6.1 Pratique actuelle de la formulation des BAP ... 24

1.3.6.2 Méthodes de formulation des BAP ... 25

1.3.6.3 Principe et application des approches ... 27

1.3.6.4 Les problèmes rencontrés dans le BAP ... 30

1.3.7 Caractérisation d’un béton autoplaçant à l’état frais ... 31

Mobilité en milieu non confiné ... 31

(14)

V

1.3.7.4 Essai complémentaires sur béton frais ... 37

1.3.8 Caractérisation d’un béton autoplaçant à l’état durci ... 38

1.3.8.1 Les essais à l’état durci ... 38

1.3.8.2 Les propriétés à l’état durci ... 38

1.4 Description des effets différés du matériau béton ... 42

1.4.1 Introduction ... 42

1.4.2 Les déformations du béton ... 42

1.4.2.1 Les déformations instantanées ... 43

1.4.2.2 Les déformations différées en l'absence de charges extérieures ... 43

1.4.2.3 Les déformations différées sous chargement stationnaire ... 45

1.4.3 Définitions et mécanismes ... 46

1.4.3.1 Fluage spécifique ... 46

1.4.3.2 Fluage propre ... 47

1.4.3.3 Fluage de dessiccation ... 52

1.4.4 Facteurs influençant le fluage ... 57

1.4.4.1 Paramètres de composition des bétons ... 57

1.4.4.2 Paramètres résultants de la conservation du béton ... 60

1.4.4.3 Paramètres de définition du produit fini (Dimension du spécimen) ... 61

1.4.4.4 Paramètres en relation avec le mode d’application de la charge ... 62

1.4.5 Essais de fluage ... 66

1.5 Les différents modèles de prévision du fluage des bétons ... 68

1.5.1 Introduction ... 68

1.5.2 Principe, schématisation et équations constitutives... 69

1.5.3 Présentation des modèles étudiés ... 70

1.5.3.1 définitions des fonctions de fluage. ... 70

1.5.3.2 Définition des modules d’élasticité : ... 71

1.5.3.3 Domaines de validité des modèles de prédiction étudiés ... 72

1.5.3.4 comparaisons entre les paramètres des modèles... 73

1.5.4 Le modèle de fluage ACI 209 (1992)... 73

1.5.4.1 Notations et unités ... 74

1.5.4.2 Déformation sous charge ... 74

1.5.4.3 Déformation de fluage ... 75

(15)

1.5.5 Le modèle de fluage B3 Bazant-Baweja (1995) ... 76

1.5.5.4 Déformation de retrait ... 80

1.5.6 Le modèle Eurocode02 (2001). ... 80

1.5.6.5 Déformation de retrait ... 83

1.5.6 Le modèle de fluage CEB MC 90 ... 84

1.5.6.2 Equations de la complaisance ... 84

1.5.6.3 Equations du retrait ... 86

1.6 Conclusion ... 87

Chapitre 02. Matériaux et procédures expérimentales……….88

2.2 Programme expérimental prévisionnel ... 90

2.2.1 Matériaux d’étude ... 92 2.2.1.1 Le ciment ... 92 2.2.1.2 Le Filler ... 93 ALCAL UF20 ... 93 ALCAL UF5... 95 2.2.1.3 Les granulats ... 96 2.2.1.4 L’adjuvant ... 98 2.2.1.5 L’eau ... 99 2.2.2 La formulation de référence ... 99

2.2.3 Fabrication du béton, et mise en place. ... 101

2.3 Méthodes expérimentales... 102

2.3.1 Propriétés des bétons à l’état frais ... 102

2.3.1.1 Essais effectués à l’état frais ... 102

Essai d’étalement ... 102

(16)

VII

Essai de l’entonnoir ... 103

Mesure de l’air occlus ... 103

Mesure de la densité ... 104 2.3.1.2 Séquence d'essai ... 104 2.3.1.3 Résultats et discussions ... 105 Etalement ... 105 Densité ... 106 Air occlus ... 106

Temps d’écoulement au V-funnel ... 108

2.3.2 Propriétés des bétons à l’état durci ... 108

2.3.2.1 Géométrie des éprouvettes et conservation du matériau ... 108

2.3.2.2 Essais effectués à l’état durci ... 110

Résistance mécanique en compression uniaxiale ... 110

Résistance à la traction par flexion ... 110

Module d’élasticité ... 111

2.3.2.3 Résultats et discussions ... 112

Résistances à la compression sur cylindres (16 × 32) cm (Rc). ... 112

Cinétiques de durcissement des bétons étudiés ... 113

Résistances à la traction/flexion sur prismes 7 × 7 × 28 cm (Rt) ... 114

Module d’élasticité longitudinal (Ec) ... 115

Chapitre 03. Comportement différé des BAP en flexion quatre points ….………..…..118

3.1 Introduction ... 119

3.2 Rappel des caractéristiques des mélanges étudiés ... 120

3.3 Caractérisation des poutrelles utilisées ... 120

3.4 Comportement monotone croissant en flexion quatre points ... 121

3.4.1 Procédure d’essai de flexion quatre points ... 121

3.4.2 Paramètres mesurés... 122

3.4.2.1Charge et flèche de rupture ... 122

3.4.2.2 Module d’élasticité ... 122

3.4.3 Résultats ... 123

3.4.3.1 Charges et flèches de rupture à 7 jours ... 123

3.4.3.2 Modules d’élasticité ... 124

(17)

3.5.1 Caractéristiques des matériaux testés ... 126

3.5.2 Valeurs des charges à maintenir sur les poutrelles ... 127

3.5.3 Système de mise en charge et bâti de fluage ... 127

3.5.4 Déformations mesurées ... 128

3.5.6 Résultats ... 133

3.5.6.1 Influence du taux de chargement ... 133

3.5.6.2 Influence du rapport F/L ... 140

3.5.6.3 Influence de la finesse du filler calcaire ... 144

3.5.7 Comparaison entre flèches sous charges maintenues et flèches statiques ... 149

3.5.8 Estimation du coefficient de fluage des bétons étudiés à 90 jours ... 149

Pour un taux de chargement de 20 % ... 150

Pour un taux de chargement de 40% ... 151

Chapitre 04. Confrontation entre résultats expérimentaux et théoriques ……….153

4.2 Bilan des valeurs des paramètres gouvernant les déformations du fluage utilisés dans les modèles de prédiction ... 155

4.3 Analyse réglementaire et empirique ... 156

4.3.1 Présentation des résultats relatifs à la résistance à la compression... 156

4.3.2 Module d’élasticité ... 158

4.3.3 Coefficients de fluage ... 159

4.3.4 Comparaison des mesures de fluage totale effectuées au laboratoire avec les valeurs prédites par les modèles codifiés. ... 162

Flèches instantanées ... 162

Flèches totales ... 166

Fleches de fluage……….169

4.4 Optimisation des paramètres de calage ... 172

4.4.1 Optimisation des paramètres de calage des courbes théoriques données par le logiciel Origin.8 sur les courbes expérimentales. ... 173

4.4.1.1 Résultats ... 174

4.4.1.2 Discussions ... 176

4.4.2 Optimisation des paramètres de calage des courbes théoriques données par le logiciel sur les courbes estimées par l’EC02. ... 176

(18)

IX

4.4.3 Optimisation des paramètres de calage des courbes expérimentales sur les courbes estimées

par l’EC02 données par le logiciel Origin.8. ... 179

4.4.3.1 Résultats ... 179

4.4.3.2 Discussions ... 181

4.4.4 Optimisation des paramètres expérimentaux ... 181

4.4.4.1 résultats ... 182

4.4.4.2 discussion………183

Conclusion générale et Perspectves ………187

Références bibliographiques ………193

(19)

SYMBOLES ET ABREVIATIONS



a: Distance entre l’appui et le point d’application de la charge (cm) ; A : Affaissement au cône (cm) ;

Ac : l’aire de la section de l’éprouvette sur laquelle la force est appliquée, exprimée en mm² ; ACI 209 : American Concrete Institute ;

a, b : paramètres dépendants de la classe du ciment Portland et du type de cure ; ALCAL F05 : filler calcaire avec une surface Blaine de 5 (um) ;

ALCAL UF20 : filler calcaire avec une surface Blaine de 20 (um) ; a/c : rapport agrégat/ciment ;

b : Distance entre les deux points d’application des charges (cm) ; B3 : Bazant et Baweja, 1995 ;

BAP : Bétons Auto-Plaçant ;

BAP UF 5 0.1 Béton autoplaçant filler calcaire UF5, rapport Fillers/Liant = 0.1 ; BAP UF5 0.2 Béton autoplaçant filler calcaire UF5, rapport Fillers/Liant = 0.2 ; BAPUF20 0.2 Béton autoplaçant filler calcaire UF20, rapport Fillers/Liant = 0.2 ; BO : béton ordinaire ;

BV : béton vibré ;

c : Distance entre l’appui et l’extrémité libre de la poutrelle (cm) ; C : Dosage en ciment (kg/m3) ;

C3S : les silicates tricalciques ; C2S : les silicates bicalciques ;

CSH : des silicates de calcium hydratés ; Ca(OH) 2: portlandite;

((CaO)6 (Al2O3)(SO3)3, 32H2O): trisulfoaluminate de calcium hydraté ;

((CaO)3(Al2O3)(CaSO4), 12H2O) : monosulfate de calcium hydraté (appeléAFm); CaCO3 : calcite ;

(Ca,Mg)2 CO3 : dolomie ;

Ca2MgFe(CO3)4 : l'akérite ;

CO2 : gaz carbonique ;

CaCO3 : carbonate de calcium ;

C (t, t’) : fluage spécifique (Specificcreep) ;

CEB-MC 90 : Comité Euro-International du Béton, 1999 ;

C0 (t, t0) : fonction de complaisance de fluage propre (10-6/MPa) ;

Cd (t, t0, tc) : fonction de complaisance de fluage de dessiccation (10-6/MPa) ; D : Dimension maximale des granulats (mm) ;

d: Diamètre de la galette du BAP (cm) ; d0 : Base du cône d’Abrams (cm) ; D

max : diamètre maximal des gravillons ;

D moyen : le diamètre moyen des granulats (mm) ; E : Dosage en eau (kg/m3) ;

E7 : Module d’élasticité des poutrelles à 7 jours (MPa) ; E/C : rapport eau/ciment ;

emini: distance minimale entre les granulats nécessaire pour fluidifier le béton ; EC0: module d’élasticité du béton au moment du chargement ;

EC02 : Eurocode 2, 2001 ;

Ecm28 : module d'élasticité en compression du béton à 28 jours en (MPa) ; Ecmt0 : module d'élasticité en compression du béton en (MPa) ;

ENG : l’Entreprise Nationale Algérienne des Granulats (E.N.G) ; E/L : rapport eau/liant

(20)

F : Charge appliquée (KN) ; f: Dosage en fillers (kg/m3) ;

fc28 : Résistance caractéristique à la compression à 28 jours (MPa) ; fm : Résistance moyenne à la compression (MPa) ;

FR7 : Charge de rupture des poutrelles à 7 jours (KN) ; fR7 : Flèche de rupture des poutrelles à 7 jours (um) ; fcmt0 : résistance moyenne à l’instant t0 du chargement ; FeCO3 : sidérite ;

F : charge de rupture ;

ftj : contrainte de traction correspondante sur la fibre inférieure ;

ft : contrainte de rupture en traction par flexion ; G/S : rapport gravillon/sable ;

h: Hauteur de la poutrelle (cm) ; HR : Humidité relative (%) ;

H(t) : la moyenne spatiale d'hygrométrie des pores ; H2/H1 : rapport des hauteurs ;

I : inertie de flexion ;

J(t, t’) : intégrale de Stieltjes, fonction de fluage (Compliance function) ; K: Indice de serrage ;

ks : facteur tenant compte de la forme de la section transversale ; l : Distance entre appuis (cm) ;

L : portée ;

M : Moment fléchissant maximal (KN.m) ; Mf : Module de finesse ;

Mg2CO3: magnésite ;

MBE : approche du Mortier de Béton Equivalent m: masse du récipient ;

m0 : masse du récipient vide ; MVR : masse volumique réelle ; MEDAPLAST BV 40 :superplastifiant ; N : force de compression ;

P : Moitié de la charge appliquée : F/2 (KN) ; Pa : contrainte de compression à la rupture ; q1 : fonction de complaisance instantanée ; q1:déformation instantanée spécifique ; q2:fluage viscoélastique dû au vieillissement ;

q3:fluage viscoélastique indépendant du vieillissement ; q4:fluage irréversible ;

q5 : paramètre de complaisance de fluage de séchage ; Q (t, t0) : intégrale binomiale ;

RC : Résistance à la compression (MPa) ; Rt : Résistance à la traction par flexion (MPa) ; R m : vitesse d’écoulement relative ;

R mb : vitesse d’écoulement relative ; S : Dosage en sable (kg/m3) ;

SP : Dosage en superplastifiant (kg/m3) ; SiO2 : Quartz ;

SCC :comme Self Compacting Concrete; S : valeur du Slump du béton frais en (mm);

S(t): fonction décrivant l’évolution du retrait avec le temps ; S(t, t0) : fonction d'évolution ;

(21)

t0 : âge du béton à l'application du chargement ;

tc: l’âge du béton à partir duquel commence le retrait qui coïncide ; t: âge du béton (jours) ;

tc: âge du béton au début du retrait (jours) ; te:est le temps d'écoulement à l'entonnoir ;

u: périmètre de la pièce en contact avec l’atmosphère (mm) ; V : volume du récipient utilisé ;

V/S: rapport du volume à la surface en contact avec l’atmosphère (mm) ; w/c : rapport eau sur ciment ;

Y : flèche mesurée (um);

Ymax : distance de l’axe neutre aux fibres extrêmes ; Ø : quantité de fines ;

Γm : Un étalement relatif ;

i: déformation élastique instantanée ;

f : déformations de fluage ;

 : contrainte appliquée ;

ct: déformation sous charge ;

tdéformations indépendantes du chargement ;

(t, t0) : noyau de fluage ;

𝝋: Coefficient de fluage ;

φu: coefficient de fluage à long terme ; γ: masse spécifique du béton (kg/m3) ; γc: coefficient de fluage ultime ;

γRH: facteur tenant compte de l’effet de l’humidité relative sur le fluage ; γ t0: facteur tenant compte de l’effet de la durée de la cure sur le fluage ; γ vs: facteur tenant compte de l’effet des dimensions de la pièce sur le fluage ; γs : facteur tenant compte de la valeur du Slump du béton frais ;

γψ:facteur tenant compte du ratio fines/total granulats en poids ; γα : facteur tenant compte du pourcentage en air occlus ;

: ratio fines/total granulats en poids ;

α: pourcentage en air occlus % ;

sht: déformation de retrait (10-6) ;

tdéformation totale ; ∆𝑻 : variations de température ;

sh∞:déformation de retrait ultime (10-6) ;

sh: temps mis pour atteindre la moitié du retrait (jours) ;

sh: valeur finale (ultime) du retrait.

re(t): déformation de retrait endogène apparue depuis la prise ;

rd(t): déformation de retrait de dessiccation apparue depuis le début du séchage ;

fp(t): déformation de fluage propre apparue depuis le début du chargement ;

fd(t): déformation de fluage de dessiccation apparue depuis le début du chargement ; α3 coefficient relatif à la résistance du béton ;

αE: coefficient tenant compte du type de granulats sur le module d’élasticité ;

c(t-to): coefficient décrivant le fluage après le chargement ;

 (fcm): coefficient tenant compte de la résistance du béton sur le fluage ultime ;

h: coefficient tenant compte de l’humidité relative et de l’épaisseur effective sur le fluage ;

 (to): coefficient tenant compte de l’âge au chargement sur le coefficient de fluage ultime ; (εx) max : déformation maximale ;

(22)

Introduction générale

Le Béton a subi à travers le temps des innovations impressionnantes, les recherches sur les nouveaux bétons se sont considérablement accélérées depuis 20 ans et fournissent aujourd’hui des solutions innovantes tant en termes de conception que de mise en œuvre. Les bétons s’adaptent désormais à toutes les exigences des concepteurs, aux contraintes des chantiers et aux agressions de l’environnement. Au fil des années, les caractéristiques du béton se sont diversifiées pour répondre à des utilisations de plus en plus complexes, à des besoins de résistance et de durabilité toujours plus importants.

Les travaux menés sur l’ouvrabilité des bétons ont permis la mise au point de bétons dits Autoplaçants, correspondant à une nouvelle famille de bétons développée afin d’obtenir un matériau facile à mettre en œuvre, sans faire appel à la vibration. Cette propriété peut être obtenue par l’emploi des superplastifiants et l’ajout d’une farine micronisée, qui, avec l’eau et le ciment, constitue une suspension colloïdale de viscosité nécessaire dans laquelle nagent les granulats plus grossiers, sans aucune tendance à la ségrégation. Ces avancées présentent de nombreux avantages sur le chantier, tant au niveau sécuritaire (conditions de travail) qu’économique. Tous ces avantages font du béton autoplaçant un matériau à l'avant-garde de la construction moderne.

La nécessité actuelle de trouver de nouvelles solutions techniques respectant le développement durable amène à étudier le caractère vieillissant du matériau béton, et plus particulièrement du béton autoplaçant.

Cependant, malgré les aspects intéressants proposés par les bétons autoplaçants, en particulier à l’état frais, leur développement est un peu freiné par leurs formulations parfois complexes, et à cause de leur comportement différé encore mal connu.

L’observation du comportement du matériau béton, sur des échantillons de laboratoire ou sur des ouvrages réels, montre que les déformations les plus couramment constatées ne sont pas uniquement liées à l’intensité du chargement subi, mais elles dépendent du comportement du matériau dans le temps. En effet, le béton est un matériau en continuelle évolution entraînant des problèmes de déformabilité et de fissuration.

Le béton présente cependant deux particularités fondamentales qui le différencient des autres matériaux. Il est d’abord un matériau hétérogène aussi bien au niveau microscopique que macroscopique. C’est un matériau qui se fabrique sur ou à proximité du lieu de construction, et ses caractéristiques dépendent donc fortement des paramètres de composition et d’environnement (la température de cure, la composition du béton, le type de ciment, la géométrie de la pièce, les conditions de séchage).Tous ces paramètres conditionnent la cinétique et l’amplitude des déformations différées.

Les déformations différées des bétons, qu’elles soient d’origine physico-chimique, comme le retrait, ou mécanique, comme le fluage sous contrainte, peuvent mettre en cause la durabilité des ouvrages. Les déformations de retrait peuvent créer des fissurations et permettre ainsi la pénétration rapide des agents agressifs externes, favorisant, entre autres, pathologies et corrosion des armatures. Les déformations de fluage peuvent provoquer des fissurations des

(23)

parties tendues, une redistribution des contraintes dans les structures hyperstatiques et des flèches incompatibles avec le bon fonctionnement en service des ouvrages.

Les recherches sur les déformations différées ont été entreprises depuis plusieurs dizaines d'années déjà. La première étude sur le fluage est celle que publia Woolson en 1905 sur des ponts en béton armé [Chaussin, 87]. Mais, en même temps, la circulaire de 1906 « premier règlement français de béton armé », postulait un comportement parfaitement élastique du béton. C'est à Freyssinet, en 1912, que revient le mérite d'avoir remis en cause le dogme de la constance du module de Young. Ses premières affirmations publiques sur l'existence d'une variation considérable du module de déformations en fonction de la durée de chargement se heurtèrent à une incompréhension totale [CHAUSSIN, 87].

Depuis, il est connu que le siège de ces déformations est la pâte de ciment. De nombreuses recherches ont été menées sur ce sujet et ont permis d’émettre différentes hypothèses sur les mécanismes à l’origine du comportement différé du béton.

Donc, le fluage du béton est, certes, un phénomène connu, mais pas encore totalement maîtrisé, compte tenu de sa dépendance d’un nombre considérable de facteurs. Seules des études en laboratoire peuvent permettre de mieux appréhender ce phénomène. Mais, malgré le nombre important d’études réalisées, les mécanismes mis en jeu lors du fluage du béton ne sont toujours pas bien connus jusqu’à présent, en particulier le fluage en flexion qui est une problématique importante dans les structures en béton [COOK, 72].

Du point de vue microstructural, Sicard et Pons (1996) mettent en évidence deux types de fluage : un fluage primaire qui serait dû à une redistribution de l'eau libre sous contrainte et correspondrait à une déformation initiale différée, et un fluage secondaire qui serait dû à la viscosité de la pâte et qui serait généré par un glissement des feuillets de C-S-H.

Les règlements actuels proposent ainsi d’estimer les déformations différées en prenant en compte de nombreux paramètres relatifs aux caractéristiques du béton (mécaniques, masse volumique...), au type de liant (ciment, ajouts,...), aux conditions environnementales et à la sollicitation mécanique. La plupart de ces règles de calcul correspondent à des lois analytiques établies à partir de calages sur des bases de données expérimentales ; par conséquent, leurs estimations demeurent correctes dans la majorité des cas. Mais les dernières évolutions des matériaux à matrice cimentaire (béton à hautes performances, béton autoplaçant,...) et la grande variété des formulations des bétons ont mis en évidence des écarts pouvant être significatifs. Il est donc légitime, vu l’impact que peut avoir une mauvaise prise en compte des déformations différées, de s’intéresser à ces phénomènes et d’estimer correctement ces déformations différées.

Cette difficulté de modélisation s’apparente aussi à des difficultés d’ordre expérimental, liées essentiellement à la lenteur du phénomène proprement dit qui s’étend sur plusieurs années et qui interfère avec d’autres phénomènes à long terme.

Il convient toujours d’effectuer plus d’essais pour mieux connaître les sources et les mécanismes de ce phénomène, pour aboutir enfin au développement de modèles assez performants, assurant ainsi sa prédiction. Des essais normalisés existent déjà pour étudier le

(24)

fluage en compression du béton ; l’essai de fluage en flexion est, quant à lui, peu répandu dans la littérature [BISSONNETTE, 96].

Le sujet de fluage des bétons est toujours d’actualité. Cela est dû au fait qu’actuellement il existe différentes variétés de bétons dans le monde de la construction, et que les codes et règlements applicables, jusqu’à présent, aux bétons ordinaires, sont très limités dans la prédiction de ce phénomène pour les nouveaux matériaux à base de matrice cimentaire.

Dans l’optique d’une contribution à la modélisation du fluage des bétons, notre recherche a été abordé en focalisant particulièrement sur la prédiction du comportement différé des poutrelles en béton autoplaçant, de dimensions (10×10×120), soumises à un chargement maintenu, sous une sollicitation de flexion quatre points, à un âge de 7 jours et qui s’étend sur une durée de 83 jours, en s’intéressant à l'effet de certains paramètres de composition (finesse de l’addition calcaire, rapport filler/liant), et de chargement (en particulier le niveau de chargement : 0 %, 20 % et 40 % de la charge de rupture).

L’objectif principal visé par cette recherche est multiple :

 D’abord, montrer expérimentalement l’importance de quelques paramètres de composition sur le fluage des BAP en flexion quatre points,

 Par la suite, comparer les résultats de l’étude expérimentale avec les estimations de divers modèles donnés par les codes de calcul actuels,

 A la fin, tenter un outil de simulation numérique fiable, capable de prédire le comportement d’une poutrelle en béton autoplaçant en matière de déformations sous charge maintenue.

Des questions à ce sujet se sont posées :

 Compte-tenu du volume important de pâte présent dans ces bétons (lié aux quantités importantes de fines préconisées), comment se comporteraient les BAP à long terme sous une charge retenue ?

 Quelle serait l’influence de la finesse des fillers calcaires et du rapport filler/liant sur la caractérisation des BAP et sur leurs comportements à long terme ?

 Quelle serait l’influence des niveaux de chargement sur les déformations spontanées et différées des BAP soumis à une charge maintenue sous sollicitation de flexion quatre points ?

 De plus, des questions se sont posées quant à l'aspect réglementaire : les modèles règlements établis pour la prédiction des déformations instantanées et différées des BV reflètent-ils aussi le comportement différé des BAP?

Ce modeste travail tente d’apporter des réponses à ces questions, et de dégager des éléments permettant une meilleure identification et compréhension des mécanismes moteurs et des paramètres conditionnant le fluage des bétons autoplaçants, pour mieux le prédire à long terme.

(25)

Ce mémoire est structuré en quatre chapitres décrits comme suit :

Le premier : consacré à l’étude bibliographique. Cependant, il porte sur les caractéristiques physico-chimiques et mécaniques des différentes phases présentes dans tout béton, à savoir la pâte de ciment, les granulats et l'auréole de transition. Il présente aussi les déformations instantanées et différées (retrait et fluage) accompagnées de diverses hypothèses sur les mécanismes à l'origine de ces variations dimensionnelles, ainsi que les paramètres influents. Nous achevons ce chapitre en abordant l'aspect modélisation avec la présentation, plus ou moins détaillée, des différents modèles réglementaires existants.

Le deuxième : présente, en premier lieu, le programme expérimental tracé pour cette recherche, ainsi que les résultats des essais de caractérisation de tous les matériaux de base employés dans la confection des divers bétons. En second lieu, il expose les différentes compositions des bétons autoplaçants retenus (BAP UF5 0.1, BAP UF5 0.2, BAP UF20 0.2) qui se différencient par la finesse de l’addition filler incorporé dans ces formules (UF5, UF20), et par le rapport filler/liant (F/L=0.1, F/L=0.2), sans oublier de monter les résultats des essais de caractérisation classique à leurs état frais et durci.

Le troisième : expose une analyse expérimentale permettant l’obtention de données destinées à mieux comprendre le comportement différé des BAP. La campagne d’essais a commencé par une étude du comportement de ces bétons sous chargement monotone croissant en flexion quatre points, sur des poutres prismatiques de dimensions (10×10×120), dans des conditions thermiques et hygrométriques normales (HR = 50 ± 5 %, T = 20 ± 2°C), à 7 jours, afin de déterminer les charges et flèches de rupture, ainsi que les modules d’élasticité tangents. Après, une étude similaire de ces mélanges a été effectuée sous charge maintenue (0%, 20%, 40% de la charge au pic) provoquant le même type de sollicitations, et sur le même modèle de corps d’épreuves, du 7ème_{au 90} ème _{jour d’âge du béton. Cette dernière étude nous a} permis de caractériser et d’examiner les déformations spontanées (flèches instantanées) et différées (flèches totales et de fluage) des BAP, en mettant en évidence les effets de la finesse de l’addition calcaire, du rapport filler/liant et du taux de chargement.

Le quatrième : se base sur la prédiction du fluage par les modèles les plus utilisés dans le monde, issus des différents règlements Européens (Eurocode 2 et CEB-MC 90) et américains (ACI 209, B3). Au cours de ce chapitre, et pour mieux apprécier la validité de ces modèles, nous avons menées des confrontations entre les résultats expérimentaux obtenus dans ce travail de recherche et les valeurs prédites par ces modèles réglementaires. La dernière partie de ce chapitre est consacrée aux recoupements entre les diverses confrontations, qui sont exploitées selon une méthode d’identification expérimentale du modèle européen Eurocode 2. Ce dernier a été implanté dans le Logiciel Origin pro.8, afin de vérifier la possibilité d’un calage correct avec des formules réglementaires adaptées. Cette confrontation vise à proposer un outil de simulation numérique fiable, capable de prédire le comportement d’une poutrelle en béton autoplaçant en matière de déformations sous charge maintenue.

A la fin, des conclusions sur les analyses expérimentales et numériques présentées dans ce travail viennent terminer ce mémoire et laisser place ensuite à des perspectives qui

(26)

1.1 Introduction

Ce premier chapitre propose une analyse bibliographique du comportement différé des bétons. Afin de bien appréhender ce comportement caractéristique des matériaux à base de matrices cimentaires, nous décrirons tout d'abord du point de vue physico-chimique et mécanique les différentes phases présentes dans tout béton, à savoir, la pâte de ciment, les granulats et l'auréole de transition, zone localisée à l'interface entre ces deux composantes. Nous nous intéresserons notamment aux cas des bétons autoplaçants, qui seront l'objet de notre étude, et au filler calcaire (addition minérale très souvent utilisée) que nous incorporerons dans nos formulations.

Les différentes déformations des bétons, instantanées et différées, seront ensuite présentées, accompagnées des diverses hypothèses sur les mécanismes qui sont à l'origine de ces variations dimensionnelles, en mettant en évidence les différents paramètres influents qui sont liés à la composition, l’hygrométrie, le chargement …etc.

A la fin, on terminera ce chapitre en abordant l'aspect modélisation des déformations différées, où on examinera les différents modèles réglementaires existants, leurs limites d’application ainsi que tous les paramètres dont ils tiennent compte.

1.2 Présentation du matériau béton

1.2.1 L’histoire du béton

Les premiers liants sont utilisés dès la préhistoire avec l'apparition des premières constructions vers l’an 5600 avant JC. Depuis, le matériau n'a cessé d'évoluer à travers les âges.

La première grande structure construite à l'aide de mortiers de gypse est la pyramide d'Abou Rawash en Égypte aux environs de 2600 avant JC. Par la suite, le béton est utilisé par l'ensemble des grandes civilisations pour construire des ouvrages.

Tout d'abord les grecs qui ont utilisé un mortier de chaux, puis les romains qui ont développé le ciment pouzzolanique formé de chaux, de briques concassées et de poussières de cendres volcaniques. Ce mélange avait la particularité de pouvoir faire prise sous l'eau. Les romains ont érigé de nombreux ouvrages célèbres avec ce matériau comme le Colisée, le Panthéon ou encore le Pont du Gard (Figure 1-1).

Figure 1-1: Ouvrages antiques en béton: la Pyramide d'Abou Rawash, le Colisée, le Panthéon et le Pont du Gard

[

DIEDERICH, 10].

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La technologie du béton a ensuite peu évolué jusqu'à ce qu'en 1756, John Smeaton, dans le cadre de la reconstruction du phare d'Eddystone Rock, s'intéresse aux origines des chaux utilisées en association avec différent types de pouzzolanes [SMEATON, 93].

Le béton a alors connu une évolution rapide pour devenir le matériau que nous connaissons aujourd'hui.

En 1818, Louis Vicat développe les premières chaux hydrauliques artificielles à partir d'argiles et de calcaires calcines.

Puis, en 1824 Joseph Aspdin produit le premier ciment Portland fait d'un mélange de chaux fine pulvérisée et d'argiles, porté à hautes températures.

Même si l'association entre matériau cimentaire et acier apparait en 1850 grâce à J.

Monier qui a développé un mortier armé, elle ne sera utilisée avec succès que lors de la

construction du premier pont en béton armé en 1889 (le Lake Alvord Bridge).

Au début du 20ème siècle, en parallèle à la mise au point du béton précontraint (1929),

Eugene Freyssinet met en avant l’effet bénéfique de la vibration pour la mise en place des

bétons fermes à l'état frais. Si les outils utilisés pour le compactage des bétons se sont perfectionnés, l'étape de la mise en place des bétons frais est primordiale pour l’obtention d’une bonne qualité des bétons durcis. Son importance est accentuée avec l'évolution des structures vers la complexité des formes et, par conséquent, des ferraillages.

La généralisation des adjuvants chimiques, tels que les superplastifiants, dès le début des années 80 permet d'allier facilité de mise en place et amélioration des performances du béton formulé avec une plus faible quantité d'eau, et une compacité optimisée du squelette granulaire.

Néanmoins, l'amélioration des performances avec l'utilisation de nouveaux constituants dans les dernières décennies ne modifie pas le caractère viscoplastique du béton à l'état frais qui nécessite toujours un apport d'énergie pour sa mise en place. Ainsi, les performances attendues du matériau restent entièrement dépendantes du soin apporté à sa mise en œuvre.

Le contexte japonais, au début des années 80, nécessitait de limiter, voire de s'affranchir de l'intervention humaine à la mise en place afin de garantir les performances du béton et l'assurance qualité des constructions (Figure 1-2).

C'est ainsi qu'en 1986, les recherches d'Ozawa & al conduisirent à la première

publication sur un béton qui se met en place sous le seul effet de la gravite : le béton autoplaçant (BAP) [OZAWA, 89].

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La propriété implicite de grande fluidité du BAP a révolutionné dans le monde la manière d’appréhender toute la construction depuis la phase de conception jusqu'à la réalisation. Si les avantages sont évidents, l'analyse demeure encore aujourd'hui dans la gestion de contraintes impliquées par le BAP dans l'opération de construction

[

DIEDERICH, 10]. 1.2.2 L’hydratation de la pâte de ciment

Le béton durci est produit à la suite de l'hydratation du ciment Portland qui réagit avec l'eau pour former un solide cohérent composé de différents hydrates. La plupart des propriétés du béton et plusieurs aspects de la durabilité sont directement liés aux caractéristiques de la

pâte de ciment durci. Pour bien comprendre les propriétés physico-chimiques du béton, il est donc important

de comprendre la structure de base de la pâte de ciment hydraté.

1.2.2.1 La structure de la pâte de ciment hydratée

La pâte de ciment hydraté est le résultat de la réaction chimique entre l'eau et le

ciment, elle représente 25% à 40% du volume du béton. C'est un processus chimique complexe où les principaux composés du ciment C3S

(silicate tricalcique) 50%, C2S (silicate bicalcique) 20%, C3A (aluminate tricalcique) 15%, C4AF (alumino-ferrite tétracalcique) 5%, réagissent pour former de nouveaux composés insolubles qui durcissent avec le temps [LERM].

Figure 1-3 : Observation au microscope électronique à balayage de grains de C3S. [CARATINI, 12].

Lors de l'hydratation du ciment, une forte teneur du composé C3S contribue à l'augmentation rapide de la résistance au jeune âge avec un fort dégagement de chaleur. Cette réaction exothermique est accentuée par la présence de C3A qui constitue un élément chimique essentiel dans la fabrication du ciment et pour l'obtention d'une ettringite homogène en combinaison avec le composé C4AF [NEVILLE, 00].

Cependant, ces gradients thermiques sont la source de fissuration au sein de l'élément de béton car la température peut atteindre 70°C. Le pourcentage de C3A doit être alors le plus faible possible car il est également plus vulnérable aux sulfates et sa forte teneur implique un dosage plus important en gypse. Même si l'action du gypse peut