Développement d un banc d essai de retrait empêché : relation entre formulation et fissurabilité des bétons au jeune âge

Transcription

1 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 Dévloppmnt d un banc d ssa d rtrat mpêché : rlaton ntr formulaton t fssurablté ds bétons au jun âg A. MESSAN a, P. IENNY b, C. BUISSON b, P. COUTURIER b, P. SLANGEN b, J.S. WIENIN b a. Ecol Polytchnqu d Kaya, BP 174, KAYA (BURKINA-FASO) b. Ecol ds Mns d Alès (CMGD), 6 avnu d Clavèr, 3319 ALES Résumé : D récnts étuds ont montré la fort snsblté ds Bétons Hauts Prformancs (BHP) à la fssuraton prématuré. Un dspostf d ssa a été conçu afn d étudr l rtrat plastqu pour ds sollctatons dts «mpêchés». Rposant sur l prncp d un doubl assrvssmnt n forc t déformaton, ls résultats ssus d c dspostf «actf» prmttnt d stmr ls évolutons durant l ssa d la contrant d tracton dévloppé dans l béton t du taux d fluag «au très jun âg». Abstract : Rcnt studs showd th xtrm snstvty of Hgh Prformanc Concrt (HPC) on th arly ag crackng. A nw tchnqu was sttng-up to study plastc shrnkag undr rstrand condtons. Basd on th concpt of closd-loop on both load and stran paramtrs, rsults obtand wth ths «actv» systm allow to stmat durng th tst th tnsl strss growng nsd th concrt and th crp rat at «vry arly ag» Mots clfs: rtrat plastqu au très jun âg, rtrat mpêché, contrant ntrn, fluag 1 Introducton L rtrat au très jun âg a rtnu l attnton ds cntrs d rchrch cs drnèrs annés n rason d l avènmnt ds BHP, qu sont très snsbls à la fssuraton précoc. Ctt fssuraton prématuré st un quston clé d la durablté à long trm d cs matéraux. Ls étuds mnés sur l rtrat au très jun âg ont ssntllmnt porté sur la réducton du rtrat plastqu dans ls condtons structurals dts «lbrs». Cpndant, l st à notr qu la réducton du sul rtrat lbr n donn pas forcmnt un ndcaton sur l rsqu d fssuraton prématuré. Ans, plusurs ssas d rtrat mpêché ont été ms au pont dans dvrs cntrs d rchrch pour évalur la capacté d fssuraton du matérau cmntar [1,]. Cs ssas puvnt êtr classés n dux typs slon l mod d mpêchmnt du rtrat (systèm passf t systèm actf) t slon la géométr du moul (lnéar t cylndrqu). L systèm passf st courammnt utlsé sur un géométr cylndrqu : l béton st coulé autour d un annau n acr nstrumnté. Son prncp rpos sur un comproms ntr un rgdté suffsant d ct annau pour mposr la condton d mpêchmnt t un rlatv souplss prmttant d rmontr à la contrant ntrn dans l béton va la msur d sa déformablté [3]. Ls récnts étuds ont montré qu la contrant msuré à l ad du systèm passf dépnd d la rgdté du béton t d cll d l annau n acr t, par conséqunt, ls nformatons obtnus avc c systèm n sont pas suffsammnt fabls. Ctt lmtaton condut au dévloppmnt d dspostfs actfs d rtrat mpêché. L systèm actf put êtr utlsé sur un géométr lnéar ou cylndrqu. Ctt fos, l mpêchmnt du rtrat s fat grâc un assrvssmnt n déformaton qu ramèn l échantllon d béton à sa dmnson ntal : l s agt sot d sa longuur ntr mors pour un éprouvtt lnéar, sot d son rayon ntérur pour un éprouvtt cylndrqu. La snsblté d ct assrvssmnt st défn n foncton du nvau d contrants résdulls attndu. Bn qu c prncp at été dévloppé dans la lttératur, ls étuds mnés avc un systèm actf d mpêchmnt du rtrat étant baucoup plus dédés à l analys du rtrat après la prs [1, ]. La pérod avant la fn d prs st totalmnt occulté alors mêm qu c st durant ctt pérod qu ls bétons hauts prformancs sont snsbls à la fssuraton précoc [4]. C projt apport un moyn d analys xpérmntal complémntar pour étudr ls matéraux cmntars au très jun âg. Il rpos sur l dévloppmnt d un dspostf actf d rtrat mpêché prmttant d étudr 1

2 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 l comportmnt du béton avant t pndant la prs. Ls résultats ssus d c dspostf prmttnt, non sulmnt d stmr l nvau d contrant d tracton attnt dans l béton durant l ssa mas égalmnt d rndr compt du dgré d fluag du béton au très jun âg. C drnr résultat st obtnu ndrctmnt n couplant l ssa d rtrat mpêché à un ssa d rtrat lbr ffctué sur un éprouvtt présntant la mêm scton d séchag. Afn d rndr compt du traval ffctué, ct artcl st organsé n tros ponts. Dans l prmr pont, nous présntrons la concpton t la fabrcaton du dspostf d rtrat mpêché ms n plac. Il sra quston du chox ds dmnsons d l annau t du dmnsonnmnt d la structur métallqu srvant d ossatur pour l systèm. L scond pont st consacré au systèm d plotag. Il s agt d présntr l prncp d doubl assrvssmnt qu gouvrn l fonctonnmnt du dspostf d rtrat mpêché. Au trosèm pont, la composton t ls proprétés du béton hauts prformancs utlsé sront présntés. Ls résultats d calbraton t d ssa d rtrat lbr t mpêché sur l béton formulé sront nsut dscutés. Concpton d un dspostf d rtrat mpêché.1 Chox d un géométr L dspostf dévloppé st basé sur un géométr annular. L béton st coulé autour d un annau n acr (Fg.1). L chox d ctt géométr plutôt qu un éprouvtt lnéar st dcté par l avantag d un absnc d mors (nécssar à la sollctaton d un éprouvtt lnéqu), c qu prmt d s affranchr ds problèms d concntraton d charg dans ls zons d transfrt [5]. La prsson p st applqué sur l annau au moyn d un vérn soupl consttué d un full d polyuréthan (capacté 1bars) mantnu axalmnt par un platau nférur t un couvrcl, tous dux produts dans un acr d 1mm d épassur. Cpndant, l état d contrant dans l éprouvtt d béton st trbutar ds dmnsons d l annau. Dux résolutons analytqus du problèm d mécanqu sont réalsés slon qu la prsson st drctmnt applqué à l annau ou bn qu c transfrt st assuré par un nvlopp cylndrqu n tôl mnc. Dans c duxèm cas ctt pèc addtonnll prmt notammnt d homogénésr la répartton d la prsson sur la paro ntérur d l éprouvtt d béton. élctronqu Ponts d jaugs Arrvé d ar (srvo-valv) vérn sous prsson Platau supérur P ε rr échantllon Platau nférur FIG. 1 Schéma d prncp t photograph d l ssa d rtrat «mpêché». S R t R sont rspctvmnt ls rayons ntérur t xtérur d l annau d béton, l calcul monocomposant (absnc d la tôl d transfrt), sous l hypothès d contrants plans, condut aux xprssons analytqus ds contrants orthoradal ( ) t radal ( rr ) : R R R R ( ) ( ) ( ) rr r p 1 ; r p 1 avc R r R R R r R R + r (1) L annau d béton, st soums à un état d contrant d comprsson radal t d tracton orthoradal lorsqu st applqué un prsson (p) sur sa paro ntrn. L équaton (1) montr auss qu l état d contrant dans l annau d béton n st n homogèn n unaxal. La géométr d l annau dot donc êtr défn d façon à mnmsr la contrant d comprsson radal d un part t garantr un état d contrant orthoradal homogèn d autr part. Pour attndr ct objctf, dux paramètrs A 1 t A dépndants d la géométr ont été défns (équaton ()).

3 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 A 1 ( R ) ( R ) 1 R 1 R 1 ; A rr ( R ) R R ( R ) R + R A 1 st l ndcatur du gradnt d contrant orthoradal t A tradut l écart à un sollctaton undrctonnll [6]. Cpndant la géométr dot consttur un comproms ntr l obtnton d un sollctaton d tracton homogèn t unaxal t ds dmnsons rasonnabls d l ssa. L ssa dévloppé dvant êtr applqué à l analys d bétons, la scton radal d l annau corrspond aux sctons ds ssas habtullmnt pratqués sur cs matéraux (7x7mm ). L rayon d l annau st chos égal à 5mm c qu lmt l gradnt sur la contrant orthoradal (A 1 15%). D mêm ctt géométr lmt l rapport ntr ls contrants radal t orthoradal (A 13%). A partr d ctt géométr, la concpton général ds élémnts d l ssa a été étudé. La chambr ntrn consttué du vérn soupl st rlé à un comprssur d ar lu applquant un prsson ntrn. Un tôl métallqu fn (dont l chox d l épassur st dscuté plus lon) cntur l vérn soupl t assur l transfrt d la prsson radal sur l annau. Ctt nvlopp assocé à un ncnt xtérur à l annau, ll-mêm n acr, assur auss la foncton d moul d l annau n béton lors d sa ms n œuvr (fgur 1). L couvrcl n acr assurant l confnmnt du vérn soupl st rnforcé par un trlls consttué d barrs cruss n acr d 4mm d scton. L chox d l épassur d l nvlopp ntrn st gudé par la snsblté d msur souhaté. Sgnalons qu la paro ntrn d ctt nvlopp st nstrumnté d 4 jaugs d déformatons comm l llustr la fgur 1. Ctt nstrumntaton dot prmttr d réalsr un assrvssmnt afn d mantnr l rayon ntérur (R ) d l annau constant au cours d l ssa d rtrat mpêché. Outr ctt snsblté rqus, l dmnsonnmnt d l nvlopp ntrn st égalmnt gudé par la contrant orthoradal qu ll subt à la sut d un ruptur du béton. Un résoluton d c problèm d mécanqu ntégrant l rôl d transfrt assuré par l nvlopp cylndrqu n tôl mnc a été réalsé. A ttr d xmpl l profl radal d la contrant orthoradal st tracé sur la fgur pour un contrant maxmal dans l béton égal à 1MPa. Pour c calcul ls caractérstqus du béton sont : ν. ; E51 GPa. L chox d un tôl d transfrt d mm d épassur confèr un contrant orthoradal égal à 4MPa. Contrants (MPa) acr (ν.3, E1 Gpa) béton (ν., E51 Gpa) contrant orthoradal -5 contrant radal Rayon (mm) () FIG. Chambr métallqu contnant l vérn soupl. C calcul analytqu nous fournt auss ls snsbltés du captur d prsson (CP) t ds jaugs d déformaton (qu assurnt l contrôl d la géométr d l annau) nécssars à la foncton d assrvssmnt. La snsblté rqus prmt d obtnr un résoluton d.1mpa sur l évoluton d la contrant ntrn.. Systèm d plotag t d acquston L orgnalté d c dspostf d rtrat mpêché st d pouvor, au cours d un mêm ssa, msurr smultanémnt ls évolutons d la contrant orthoradal t d la déformaton cumulé : cll-c rprésnt l addton d un déformaton d rtrat (<) t d un déformaton d fluag (>). L xtracton d ctt déformaton cumulé st dédut d l hypothès d la décomposton addtv ds déformatons au cours du rtrat mpêché (fgur 3) : ε t ε t + ε t + ε t (3) ( ) ( ) ( ) ( ) total élastqu rtrat fluag 3

4 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 L prncp d fonctonnmnt st basé sur un doubl assrvssmnt, altrnatvmnt n prsson t n déformaton. Au cours du rtrat du béton, la paro d la chambr métallqu s rétract. La prsson d ar nvoyé dans l vérn soupl prmt d ramnr la chambr métallqu dans sa form ntal (cycl d compnsaton). S la géométr ntal, chos comm référnc, corrspond au momnt d la ms n plac du béton dans l moul, la déformaton moynn ds quatr jaugs d déformaton collés sur la paro ntrn d la tôl fournt un msur d modfcaton du rayon d l annau au cours du rtrat. La fgur 3 llustr l prncp d fonctonnmnt : l s agt d un mpêchmnt dscontnu à l échll d la snsblté d l assrvssmnt chos. Lorsqu un valur sul d la déformaton moynn st attnt, l dspostf agt sur la srvo-valv pour augmntr la prsson dans l vérn t ramnr l rtrat du béton à sa valur d référnc. La valur sul (3 6µdf) dot êtr compatbl avc la snsblté ds jaugs d déformaton. Pus un nouvll phas d régulaton n prsson prmt d mantnr un nvau constant à l ntérur d la chambr jusqu à c qu la déformaton ngndré par l rtrat du béton attgn à nouvau la valur sul. C prncp d régulaton séquntl s poursut tout au long d l ssa t condut à l augmntaton d la contrant ntrn dans l annau d béton lors d sa dssccaton. La programmaton sous Labvw (Natonal Instrumnts) du systèm d plotag d l ssa ntègr ans dux systèms PID (fgur 3) : l prmr prmt d assrvr n déformaton dans la phas d compnsaton t l scond prmt d mantnr la prsson constant dans l vérn soupl jusqu à c qu la déformaton moynn attgn d nouvau l sul. 3 Tst sur un BHP FIG. 3 Schéma d prncp du plotag d l ssa d rtrat mpêché. 3.1 Formulaton t ms n œuvr du matérau L béton utlsé pour c traval corrspond à un formulaton rlatv à un Béton Haut Prformanc (BHP). C béton présnt un rapport massqu au/cmnt (E/C) égal à,4. Il st formulé avc ls consttuants suvants : sabl (JOFFRE) d granulométr /4mm gravllon d granulométr 4/8mm cmnt CEM I 5,5 N CE CP NF «SB», d un surfac spécfqu d 438m /kg L Tablau 1 c-dssous rprnd ls proportons ds dfférnts consttuants ntrant dans la formulaton d c béton. Au cours d la ms n œuvr, un supr-plastfant st ajouté n un proporton d 1.5% du pods du cmnt t d la fumé d slc. Eau Cmnt Sabl Gravllon Fumé d slc Tablau 1 Proportons ds dfférnts consttuants n Kg/m 3. La résstanc n comprsson à 4h d c béton st d 49.8MPa, t son coffcnt d étalmnt à la ms n œuvr st d 8cm. Sa mass volumqu xpérmntal st d 456kg/m 3. 4

5 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 3. Tst d rproductblté Ds ssas d rproductblté ont été réalsés sur la bas d la formulaton présnté c-dssus. Cs ssas prmttnt d connaîtr l nflunc d tout la chan d ssa ntégrant ls ponts suvants : formulaton, ms n œuvr, chox ds paramètrs d ssas (sul n déformaton), régulaton d l nvronnmnt (%HR5%, Tmpératur C). Pour ls dux ssas présntés un chox dfférnts d sul d déformaton a été défn afn d dntfr la snsblté d c paramètr sur ls résultats obtnus. La contrant orthoradal msuré à partr d la prsson dans l vérn soupl montr un bonn rproductblté du sgnal obtnu avc un évoluton d autant plus contnu qu l sul d régulaton n déformaton st plus fabl (fgur 4a). Il st à notr qu dans l cas l plus défavorabl l sul d déformaton chos (6µdf) ntrodut un résoluton d.5 MPa sur la contrant orthoradal. Cpndant ctt résoluton étant scalarmnt dépndant du modul d rgdté d l annau n béton, l st attndu un fort dmnuton d ctt résoluton après prs (résoluton d.13mpa pour un sul égal à 3µdf slon l calcul analytqu précédnt). La déformaton cumulé, qu tradut la compnsaton du rtrat d dssccaton par la composant d fluag, présnt ls mêms caractérstqus d rproductblté (fgur 4b). déformaton cumulé (x1-6) a) ssa (sul 3µdf) ssa 1 (sul 4-6µdf) Tmps (hurs) déformaton cumulé (x1-6) b) ssa (sul 3µdf) ssa 1 (sul 4-6µdf) Tmps (hurs) FIG. 4 Essas d rproductblté : a) déformaton cumulé, b) contrant orthoradal 3.3 Essa d rtrat mpêché sur BHP Sur la bas d la formulaton précédnt, un ssa d rtrat mpêché a été réalsé sur un pérod d 4h. Rapplons qu au cours d ctt pérod s produt un doubl phénomèn d rtrat : tout d abord apparaît un phas dt d rtrat plastqu qu s produt avant durcssmnt sous l fft d un dssccaton. Ctt phas st nhérnt à l échang ntr l béton t l nvronnmnt qu, dans l cas traté, n put s produr qu par la fac lbr supérur d l annau conférant ans un rapport d échang (S/V1.4%). Ctt phas d rtrat xogèn s manfst avant l début d prs. Sut à cla, s produt un rtrat d autodsscaton d orgn ndogèn qu tradut l début d la réacton d hydrataton. S l prmr phénomèn confèr un gradnt d rtrat d la surfac lbr vrs l ntérur d l éprouvtt l duxèm rtrat put êtr consdéré comm unform dans l matérau. Ls résultats d ct ssa sont présntés sur la fgur 5. On put rmarqur qu la contrant orthoradal (contrant ntrn) n début qu après un pérod d ncubaton corrspondant à la pérod dormant du béton à l état fras (fgur 5a). A la sut d ctt phas, ls évolutons smultanés du rtrat t d la cohéson (par hydrataton) du béton ndusnt un augmntaton d la contrant ntrn. Ctt évoluton présnt dux cnétqus slon qu l on s stu avant ou après 1h d ssa. Ds résultats smlars ont été obtnus pour ds Mortrs Ultra Haut Prformanc [1, 7]. S on s ntérss à la déformaton cumulé, on constat qu l ralntssmnt d l évoluton d la contrant ntrn st smultané à clu d ctt déformaton cumulé. On rappll qu ctt déformaton corrspond à la déformaton d rtrat lbr (négatv) à laqull s suprpos la déformaton d fluag. Cll-c st postv compt-tnu d l évoluton d la contrant orthoradal d tracton au sn d l annau. Parallèlmnt à ct ssa d rtrat mpêché sur annau, un ssa d rtrat lbr a été réalsé sur la bas d un éprouvtt prsmatqu d mêm scton (8x7x7mm 3 ). Pour consrvr l mêm taux d échang avc l xtérur, ct ssa présnt la surfac supérur lbr. 5

6 19 èm Congrès Franças d Mécanqu Marsll, 4-8 août 9 contrant orthoradal (MPa) Contrant orthoradal -5 Déformaton cumulé a) Tmps (hurs) Déformaton cumulé déformaton (x1-6) déformaton lbr déformaton cumulé b) Tmps (hurs) FIG. 5 a) Rtrat mpêché sur BHP, b) comparason rtrat lbr t déformaton cumulé La msur d rtrat st réalsé au moyn d dux capturs d déplacmnts (typ LVDT) dsposés aux dux xtrémtés d l éprouvtt : un cal d transfrt n polymèr st postonné ntr l captur t la surfac d l éprouvtt. L résultat d ct ssa d rtrat lbr st présnté sur la fgur 5b. C rtrat présnt un cnétqu mportant (µdf/h) dans un prmèr phas (avant 5 hurs), suv d un nt ralntssmnt après 1h d ssa. La suprposton sur c graph d la déformaton cumulé obtnu lors d l ssa d rtrat mpêché tradut l mportanc d la déformaton d fluag consnt par l annau dès qu la contrant d tracton orthoradal progrss dans l matérau. C phénomèn lé à la plastcté du béton avant sa prs a été révélé par d autrs auturs [1, 8]. Cs auturs ont montré qu la rlaxaton du au fluag du matérau cmntar pouvat dmnur d moté la valur d la contrant ntrn (c contrant orthoradal) dans l matérau. Fluag Concluson prspctvs: Ct artcl présnt l dévloppmnt d un tst d rtrat mpêché dédé à l analys ds rsqus d fssuraton précoc dans ls bétons. La tchnqu adopté, basé sur un géométr n form d annau, utls l prncp d un doubl assrvssmnt séquncé n prsson t n déformaton. Classé parm ls ssas d typ «actf», clu-c s dstngu d l xstant par la possblté d connaîtr l évoluton d la déformaton d fluag à l orgn d la rlaxaton d la contrant ntrn généré durant l tst. Outr la possblté d étudr l nflunc d ajouts ou d rnforts sur la fssurablté ds bétons d formulaton snsbl tls qu ls BHP, c protocol xpérmntal ouvr la vo d un mllur compréhnson d la phénoménolog du comportmnt d cs matéraux durant la prs. Référncs [1] HOSSAIN A.B., WEISS J., Th rol of spcmn gomtry and boundary condtons on strss dvlopmnt and crackng n rstrand rng tst Cmnt and Concrt Rsarch, 36, 4, pp [] IGARASHI S., BENTUR A., KOVLER K., Autognous shrnkag and nducd rstranng strsss n hgh-strngth concrts, Cmnt and Concrt Rsarch, 3,, pp [3] LAMOUR V., HAOUAS A., MORANVILLE M., LEBOURGEOIS L., A nw tchnqu for charactrzaton of arly ags crackng of mortars CERM Journal, 3, pp [4] SCHWARTZENTRUBER A., PHILIPPE M., MARCHESE G., Effct of PVA, glass and mtallc fbrs, and of an xpansv admxtur on th crackng tndncy of ultrahgh strngth mortar, Cmnt and Concrt Composts, 6, 4, pp [5] ALTOUBAT S.A., LANGE D.A., «Grd-spcmn ntracton n unaxal rstrand tsts, Concrt : Matrals Scnc to Applcatons, ACI SP-6,, pp [6] MESSAN A., IENNY P., NECTOUX D., Nw tstng mthod to nvstgat fr and rstrand plastc shrnkag of mortar: Influnc of Glass Fbrs, Cllulos Ethr and EVA (Ethyln-Vnyl Actat), Cmnt and Concrt Composts, accpté 8. [7] SPRINGENSCHMID R. t al, Thrmal crackng n concrt at arly ags n Thrmal Crackng Concrt at Early Ags, R. Sprngnschmd (dtor), Proc. RILEM Symp., E&FN SPON, 1994, pp [8] TURCRY P., Rtrat t fssuraton ds bétons autoplaçants : nflunc d la formulaton Thès d doctorat d l Unvrsté d Nants, 4. 6