Essai de capillarité à basses températures appliqué à des bétons de différentes perméabilités

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1 ENAC Faculté de l Environnement Naturel, Architectural et Construit IS Institut de Structure MCS Maintenance, Construction et Sécurité des Ouvrages Rapport d essai n Essai de capillarité à basses températures appliqué à des bétons de différentes perméabilités Travaux de recherche réalisés pour: Chef de projet: Collaborateurs: Directeur de thèse: Auteur du rapport: thèse de D. Conciatori au laboratoire du MCS D. Conciatori D. Conciatori, R. Gysler, E. Denarié E. Brühwiler D. Conciatori Lausanne, le 29 novembre 2005 DC Adresse postale: EPFL-ENAC-IS-MCS / Bâtiment GC, Station 18, CH Lausanne Tél.: +41 (0) , fax: +41 (0) ,

2 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 2

3 Table des matières Table des matières 1 Motivation Déroulement des essais Généralité Principales étapes des essais Programme des essais Eprouvettes Conception des recettes des bétons Généralité Les granulats L'eau Ciment Adjuvant Recettes des trois bétons (récapitulatif) Bétonnage Généralité Coffrage et bétonnage des murets Essai sur le béton frais Cure Essai sur le béton durci Essais destructifs Compression sur cylindres Porosité, masses volumiques apparentes et absolues de béton et mesures d adsorption d eau par capillarité Essais non destructifs Confection des éprouvettes Séchage des éprouvettes Généralité Déroulement du séchage Durées de séchage Les éprouvettes I

4 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton Saturation sous vide Matériels Environnement Résultats Etanchement des éprouvettes Généralité Exécution de l étanchement Matériel et produits Refroidissement à l air des éprouvettes Généralité Déroulement du refroidissement à l air des éprouvettes Matériel Résultats des mesures adsorption par capillarité Généralité Déroulement des essais Matériel Bain salin Balance Salinité du bain froid Dépouillement des résultats Détermination du volume des échantillons adsorption capillaire durant les premières secondes Résultats d adsorption capillaire Imprégnation hydrophobe Nanofluide Introduction Mode opératoire de l imprégnation Nanofluide Résultats des essais d adsorption par capillarité (éprouvettes avec une imprégnation hydrophobe Nanofluide 5 ) Conclusion Références II

5 Table des annexes Table des annexes Annexe A: Tableau des tamisats Annexe B: Figures des tamisats avec la courbe de référence de Bolomey Annexe C: Figure des tamisats avec référence aux fuseaux des normes Annexe D: Composition des recettes des bétons Annexe E: Les murets Annexe F: Principe de l'essai de perméabilité Torrent Annexe G: Traitement probabiliste des essais de perméabilité Torrent Annexe H: Photos de l'extraction de carottes et confection d'éprouvettes Annexe I: Détermination de la porosité sous vide et des masses volumiques apparentes et absolues de béton Annexe J: Mesures d adsorption d eau par capillarité (selon DIN 52617) Annexe K: Principaux matériels du laboratoire pour le séchage des éprouvettes Annexe L: Atmosphère dans les boîtes à gants Annexe M: Résultats de séchage des éprouvettes Annexe N: Principaux matériels du laboratoire pour les essais d adsorption capillaire Annexe O: Résultats d essai d adsorption capillaire Annexe P: Examen microscopique sur lame mince III

6 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton IV

7 Chapitre 1: Motivation 1 Motivation L'épandage de produits dégivrants, depuis les années 1960 sur les routes suisses, a augmenté la rapidité des détériorations dues à la corrosion des armatures en acier des ouvrages en béton. Ces produits dégivrants sont composés de chlorures (NaCl ou CaCl 2 ) qui sont véhiculés par l'eau à l'intérieur du béton. Lorsque la concentration en ions chlorures se trouve en quantité suffisante, la couche de passivation autour de l'armature est détruite. Ainsi la corrosion des barres d'armature s'initie et provoque une réduction de la section de la barre et de la fissuration (gonflement de l acier d armature). Le microclimat et la présence de produit chimique, composé des conditions atmosphériques locales, de la quantité d'épandage de produits dégivrants et de l'exposition à ces deux éléments, gouverne la vitesse de transport des ions chlorures dans le béton. L'effet de capillarité de l'eau de pluie saumurée [Lunk97] représente la source d'entrée la plus rapide des ions chlorures dans le béton [Schiegg02] [Ungricht05]. Les essais, présentés dans ce rapport, visent à reproduire ces effets de capillarité sur les ouvrages suisses en tenant compte des conditions locales de température. Ainsi des éprouvettes cylindriques, retirées de murets confectionnés avec des recettes de béton étudiées et connues, sont soumises à un essai d adsorption capillaire à basses températures. Ces mêmes conditions sont implémentées dans un modèle de simulation de ions chlorures dans le béton (TransChlor), et les paramètres de transport sont définis pour ce modèle. Il est possible, dès lors, de prédire, en connaissant les caractéristiques de perméabilité du béton de peau, l instant d initiation de la corrosion des armatures pour les ouvrages existants suisses. Pour de nouvelles constructions, en imposant ou en connaissant une politique d épandage de produits dégivrants, en connaissant les conditions météorologiques locales, il sera possible d exiger des caractéristiques minimales de perméabilité du béton de peau, pour chaque type d exposition au microclimat, pour qu il satisfasse les conditions de durabilité fixées par le maître de l ouvrage. 29 July

8 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 2 Déroulement des essais Ce chapitre relate la liste des tâches effectuées au laboratoire d une manière exhaustive et de leur déroulement chronologique. 2.1 Généralité Les essais d adsorption capillaire se déroulent sur des éprouvettes cylindriques confectionnées avec trois recettes de béton différentes. Ces recettes de béton ont été choisies pour représenter au mieux un large éventail de perméabilité différente du béton à l air et à l eau. Ainsi confectionnées, les éprouvettes sont entreposées à différentes atmosphères contrôlées pour que le séchage s effectue de manière naturelle. L humidité relative est le paramètre clef pour le séchage. La température est également contrôlée, et s équilibre à celui du laboratoire pendant le séchage. Le séchage à différentes atmosphères d humidité relative permet de prendre en considération une grande palette de cas pouvant se produire sur les ouvrages suisses. Dès que les éprouvettes ont atteint le niveau de séchage désiré, les essais d adsorption capillaire débutent. Chaque éprouvette est alors immergée dans une eau saumurée à différentes températures. La saumure et les différentes températures représentent les conditions locales microclimatiques et chimiques auxquelles les ouvrages sont sollicités. 2.2 Principales étapes des essais Les principales étapes des essais sont mentionnées ci-après et sont développées plus précisément dans les prochains chapitres. Bétonnage ( 3, 4 et 5), coffrage de murets, bétonnage des murets, essai sur le béton frais (essai d affaissement), essais non-destructifs sur le béton durci (essai de perméabilité à l air Torrent et essais de résistivité Wenner) essai destructif sur le béton durci (résistance à la compression, détermination de la porosité). Confection des éprouvettes ( 6), carottage dans les murets, sciage des carottes. Séchage des éprouvettes ( 7), contrôle de l atmosphère (au moyen de différents sels dans une enceinte protégée), mesures de l évolution du poids des éprouvettes dans le temps. Refroidissement à l air des éprouvettes ( 8 et 9), étanchement des faces de l éprouvette à l eau, refroidissement dans une armoire frigorifique des éprouvettes. Immersion des éprouvettes dans la saumure ( 10), activation du bain salin à basse température, mesures de l évolution du poids des éprouvettes dans le temps. 2.3 Programme des essais Les essais s échelonnent sur une durée de une année et demi. Durant les six premiers mois, les essais préliminaires et la confection des éprouvettes sont testés et exécutés. Le séchage naturel des éprouvettes 2 29 July 2005

9 Chapitre 2: Déroulement des essais s échelonne sur un peu plus d une année pour le cas le plus défavorable et les essais d adsorption capillaire demandent trois mois de travail en laboratoire (Tableau 2.1). 2.4 Eprouvettes Au préalable, trois murets en béton, de perméabilité différente, sont confectionnés. De ces murets, 105 carottes sont prélevées. Les deux extrémités des carottes sont sciées pour constituer les éprouvettes. La face coffrée des éprouvettes sera directement utilisée pour les essais d adsorption capillaire. Les parties d éprouvettes, non utilisées pour l essai d adsorption capillaire provenant du sciage, sont également utilisées pour quelques essais sur le béton durci. Le nombre total d éprouvettes confectionnées à l aide de carottes s élève à 210. La totalité des éprouvettes sont entreposées à une atmosphère où l humidité relative de l air est contrôlée, opérant une 29 July

10 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton TABLEAU 2.1: Programme des travaux 4 29 July 2005

11 Chapitre 2: Déroulement des essais perte d eau par séchage des éprouvettes, 207 éprouvettes sont refroidies à l air et finalement 198 éprouvettes sont immergées dans un bain salin froid pour les essais d adsorption par capillarité (Figure 2.1). FIGURE 2.1: Arbres et quantités d éprouvettes testées, nomenclature des bétons ( 3) 29 July

12 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 3 Conception des recettes des bétons Ce chapitre renseigne sur l origine des différents composants du béton et sur les quantités mises en oeuvre et les différents choix pour leur confection. 3.1 Généralité Il existe une relation étroite entre les recettes du béton et la perméabilité aux agents externes. Ainsi trois recettes de béton différentes sont confectionnées représentant différentes perméabilités rencontrées sur les ouvrages en Suisse. Ces trois recettes sont nommées béton A, faible perméabilité aux agents externes, béton B, perméabilité moyenne aux agents externes, béton C, grande perméabilité aux agents externes. 3.2 Les granulats Les granulats se composent de trois différents sables ayant une échelle granulométrique 0/4, 4/8, 8/ 16. Le diamètre maximal des granulats est de 16mm. Pour les trois recettes de béton, les différents sables ont été fournis par le laboratoire des matériaux de construction (LMC) et proviennent de la carrière au lieu dit Bioley. La granulométrique montre une bonne répartition des diamètres et permet de fabriquer des bétons avec de faibles perméabilités (voir annexes A et B). Pour la recette du béton C, un sable 0/4 différent a été utilisé. Pour obtenir un béton de grande perméabilité sans nid de gravier, une granulométrie, ne contenant pas trop de fines, est utilisée. Cette caractéristique s'atteint aisément en utilisant des sables lavés provenant par exemple d'un lac, d'une rivière, d'un fleuve ou d'un plan d'eau. Ainsi la recette du béton C a été confectionnée, après plusieurs essais préliminaires, avec un sable 0/4 fourni par SA Grave, provenant de la carrière de Villeneuve extrayant directement les granulats du lac Léman (voir annexes A et B). La courbe granulométrique finale pour les recettes des bétons A et B satisfait bien les normes suisses (SIA) et allemandes (DIN) (voir annexe C). Le choix du pourcentage de chaque sable a été optimisée avec la courbe de référence de Bolomey, ce qui prédit une bonne ouvrabilité du béton (voir annexe B). Pour la recette du béton C, le manque de fines se voit rapidement, même si elle satisfait assez bien la norme allemande (DIN). Avec une telle recette, le dosage en ciment doit être augmenté pour palier au manque de fine et obtenir un béton avec une faible perméabilité. 3.3 L'eau La provenance de l'eau du secteur d'alimentation d'eau potable permet d'éliminer tous les problèmes d'eau chargée en substances nuisibles. Les quantités d'eau introduites dans chaque recette (voir annexe D). béton A, 154 l/m 3 de béton, béton B, 196 l/m 3 de béton, béton C, 184 l/m 3 de béton. 3.4 Ciment Le ciment, provenant du Laboratoire des Matériaux de Construction (LMC), est un ciment portland de type CEM I Les quantités de ciment introduites dans chaque recette sont visualisées ci-après 6 29 July 2005

13 Chapitre 3: Conception des recettes des bétons (voir annexe D). Pour obtenir une perméabilité à l air, à l eau et à d autres composants chimiques plus importantes, la recette de béton C contient une quantité de ciment inférieure aux deux autres recettes de béton, ayant pour but de limiter la quantité de fine dans le mélange de béton. béton A, 375 kg/m 3 de béton, béton B, 375 kg/m 3 de béton, béton C, 250 kg/m 3 de béton. 3.5 Adjuvant A la recette du béton A, un plastifiant, de type Sikaviscocrete 03.kom (art ) [Sika04], est ajouté au mélange. La quantité introduite correspond au 1.0% de la masse de ciment. Il apporte une bonne ouvrabilité du mélange. 3.6 Recettes des trois bétons (récapitulatif) Dosage en ciment Eau E/C Masse des granulats Masse volumique du béton Quantité d adjuvant [kg/m 3 ] [l/m 3 ] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] [l/m 3 ] Béton A Béton B Béton C TABLEAU 3.1: Récapitulatif des trois recettes de béton 29 July

14 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 4 Bétonnage Ce chapitre fournit les informations sur le coffrage, le bétonnage et également sur l essai effectué durant la mise en oeuvre du béton. 4.1 Généralité Le bétonnage des trois recettes de béton a été effectué au LMC (Laboratoire des Matériaux de Construction). Trois murets ont été coulés le 14 novembre Lors du décoffrage, le 19 novembre 2003, le muret, confectionné à l'aide du béton C, présentait trop de nids de gravier. Ainsi un nouveau muret avec la recette du béton C a été effectué le 28 novembre 2003 et décoffré le 1 er décembre Coffrage et bétonnage des murets Le coffrage des trois murets de dimension 96 x 63 x 10 [cm] a été construit à l'aide de panneaux en bois usuel. Aucune disposition n'a été prise pour étancher les joints entre les coffrages par souci de garder les mêmes procédures que celles utilisées sur les chantiers. De plus, l'ensemble du coffrage étant de petite dimension, aucun problème, comme la perte d'eau, n'a été noté durant le bétonnage (voir annexe E). Les panneaux de coffrage, type Bini, sont constitués de bois listés et assemblés par enchevêtrement au moyen d une colle. La surface du panneau est traitée avec une résine mélaminée évitant que le béton adhère au panneau et permettant une réutilisation des panneaux [Bini04]. Avant le bétonnage, la surface des coffrages a été humectée d une huile de coffrage standard empêchant l adhérence du béton lors du décoffrage. Chaque muret représente 60.5 litres de béton et de deux cylindres d'environ 6 litres. Pour chaque gâchée, 90 litres de béton a été confectionné pour chaque muret. Les cylindres servent pour la confection d échantillons, destinés aux essais destructifs de la détermination de la résistance à la compression sur cylindre à 28 jours ( 5.1.1). 4.3 Essai sur le béton frais Cet essai permet de déterminer l ouvrabilité du béton pour sa mise en place. Le béton frais est introduit dans le cône d'abrams à l aide d une truelle en trois couches de même hauteur et est compacté après chaque étape de remplissage par dix coups de pilon. Le cône est ensuite retiré, laissant le béton frais libre de se déformer. La mesure de cette déformation (Figure 4.1) donne une indication sur l ouvrabilité du béton. Un affaissement plus important est noté pour les recettes des béton B et C par rapport à la recette de béton A avec adjuvant (Tableau 4.1). Le faible écart entre la recette de béton B et C (Tableau 4.1) montre une ouvrabilité identique pour les deux recettes de béton. Toutefois, le risque de ségrégation demeure élevé pour la recette de béton C, car la quantité d eau introduite dans le mélange est très importante. Pour la recette de béton A, la présence de l adjuvant permet une très bonne ouvrabilité du béton. c [cm] Béton A 1 Béton B 4 Béton C 4.5 TABLEAU 4.1: Résultats de l essai d affaissement 8 29 July 2005

15 Chapitre 4: Bétonnage FIGURE 4.1: Exécution de l'essai d'affaissement (SIA 162/1) 4.4 Cure Dès le bétonnage, les murets sont stockés à l'abri des intempéries dans les halles de structure de l'epfl à 20 C et à une humidité relative avoisinant les 60% à 70%. Une bâche en plastique a été appliquée durant les premiers jours pour éviter une dessiccation trop rapide sur le front du muret. Le décoffrage a été effectuée après 5 jours pour les murets A et B et 3 jours pour le muret C. 29 July

16 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 5 Essai sur le béton durci Ce chapitre renseigne sur les différents essais effectués sur les trois murets après le décoffrage. Les résultats de ces essais complètent finalement ce chapitre. La distinction entre les essais destructifs et non destructifs sur le béton durci est également différenciée par deux sous-chapitre différents. 5.1 Essais destructifs La compression sur cube, les mesures de la porosité, les mesures des masses volumiques apparentes et absolues et les mesures d adsorption d eau par capillarité ont été exécutés par le Laboratoire des Matériaux de Construction (LMC) qui possèdent une grande expérience pour l exécution de ces essais normalisés Compression sur cylindres Les essais de la résistance à la compression sur cylindres ont été effectués après 28 jours de cure. Les essais de la résistance à la compression sur cylindre ont été effectués par le Laboratoire des Matériaux de Construction (LMC) selon la procédure de la norme SIA 162/1. N masse volumique apparente hauteur section circulaire charge de rupture à 28 jours résistance à la compression à 28 jours [t/m 3 ] [cm] [cm 2 ] [kn] [N/mm 2 ] Béton A A A Béton B B B Béton C C C TABLEAU 5.1: Résultats des essais de la résistance à la compression sur cube D'un point de vue de la résistance, les essais de compression sur cylindre montre parfaitement les hypothèses faites lors du choix de la recette du béton (Tableau 5.1). Une corrélation peut être immédiatement effectuée entre la résistance à 28 jours à la compression sur cylindre et le rapport massique de l eau sur le ciment, notée E/C, de chaque recette de béton (Figure 5.1) Porosité, masses volumiques apparentes et absolues de béton et mesures d adsorption d eau par capillarité Sur plusieurs échantillons de carottes, des mesures de porosité sous vide ont été effectuées au laboratoire des matériaux de construction (LMC). Les essais sont réalisés selon les prescriptions de la norme DIN Les échantillons sont d'abord séchés à l'étuve à la température de 50 C, puis entreposés à l'atmosphère du laboratoire pendant au moins 12 heures et pesés pour déterminer leur poids à l'état sec M1. La face exposée est ensuite immergée dans l'eau sur une profondeur de 1 à 2 mm. L'adsorption est déterminée par pesées successives pendant 24 heures. Les éprouvettes sont ensuite saturées sous vide jusqu'à poids constant, avec une vitesse de montée du niveau d'eau de 5 [mm/ minute], puis pesées dans l'air et dans l'eau pour déterminer leur poids à l'état saturé M3 dans l'air et M2 dans l'eau. La quantité d'eau totale adsorbée par l'éprouvette M3-M1 représente la porosité accessible à July 2005

17 Chapitre 5: Essai sur le béton durci FIGURE 5.1: Corrélation entre le rapport massique de l eau sur le ciment E/C et la résistance à la compression à 28 jours des éprouvettes cylindriques l'eau n (Figure 5.2). On peut admettre que la masse d'eau adsorbée par une éprouvette au temps t est proportionnelle à la racine du temps selon la loi (EQ. 5.1). M eau = w S t (EQ 5.1) M eau : masse d'eau adsorbée, w: coefficient d'adsorption en [g/m 2 ], S: section en contact avec l'eau. Le coefficient d'adsorption d'eau par capillarité w est calculé d'après l'eau adsorbée entre 1 et 24 heures, sur la base d'une régression linéaire (Figure J.1). FIGURE 5.2: Essais de pénétration d'eau par capillarité [SIA262/1] Les essais ont été effectués sur des échantillons résultant des déchets du sciage des éprouvettes. Ces échantillons sont donc cylindriques et proviennent du coeur des murets. Ainsi 5 échantillons ont été uti- 29 July

18 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton lisés pour ces essais. Les dimensions des échantillons ont une hauteur d environ 40 [mm] et un diamètre de 50 [mm]. Masse volumique apparente sèche Eau absorbée (Porosité) n Coefficient d absorption W [g/cm 3 ] [%] [g/m2*h 0.5 ] Béton A * Béton B Béton C * TABLEAU 5.2: Résultats des essais d adsorption et détermination de la porosité, effectués par le laboratoire des matériaux de construction (LMC) * pas d essais effectués pour la détermination du coefficient d adsorption W Les résultats des essais montrent une porosité faible pour la recette de béton A et plus importante pour les deux autres recettes de béton. Cependant les essais ne montrent pas la même logique pour les recettes de béton B et C. Les résultats montrent une porosité plus importantes pour une recette de béton B que pour une recette de béton C (Tableau 5.2). On peut voir également que la quantité d eau introduite durant le gâchage pour chaque recette de béton corrèle très bien avec la porosité (Figure 5.3). Cette corrélation semble bien confirmer la formulation empirique (EQ. 7.1) pour obtenir une idée sur la teneur en eau à l état de saturation du béton ou par équivalence sa porosité. Les résultats détaillés de cette expérimentation peuvent être consultés en annexe (voir annexe I). FIGURE 5.3: Corrélation entre les quantités d eau introduites lors du gâchage et les mesures de la porosité Le coefficient d adsorption n a été mesurée que pour la recette de béton B (voir annexe J). Sa valeur représente un béton de faible perméabilité, en se référant à l échelle établie par le laboratoire des matériaux de construction (LMC) très faible faible moyenne forte très forte TABLEAU 5.3: Echelle proposée par le laboratoire des matériaux de construction (LMC), permettant d établir la perméabilité en fonction du coefficient d adsorption W July 2005

19 Chapitre 5: Essai sur le béton durci 5.2 Essais non destructifs Sur chaque point de prélèvement de carottes (voir annexe E), pour confectionner les éprouvettes de base pour les essais d adsorption capillaire, la perméabilité par la méthode Torrent et la conductivité électrique par la méthode Wenner ont été mesurées, après une cure d'environ 28 jours (voir annexe F). Au total, 63 mesures ont été effectuées sur chaque muret, donnant une bonne base statistique quant à la représentativité de ces mesures. Les résultats des essais peuvent être étudiés en tenant compte de l humidité présente dans le béton ou en corrigeant les valeurs de mesure KT i par KT i,corr (EQ. 5.2). Sous forme de nuage de points, les résultats KT i sont affichés à l'état brut (Figure 5.4). Puis les résultats alignés sur une ligne horizontale prennent en considération l'humidité du béton (il n'est donc plus dépendant de la résistivité électrique). Chaque point de ces lignes horizontales représente le minimum des deux valeurs de KT i et de KT i,corr. Finalement, le point, mis en évidence sur cette même ligne, est la moyenne géométrique des mesures corrigées (Figure 5.4) [Denarié04]. ( kt i ) 0.57, = ρ KT icorr (EQ 5.2) FIGURE 5.4: Mesures brutes et corrigées des essais de perméabilité a l air de Torrent avec les moyennes géométriques correspondantes, catégories de perméabilité d après [Denarié04] La perméabilité du béton d'enrobage des différents murets décroît comme les prévisions faites auparavant. Ainsi dans l'ordre décroissant, la recette de béton A est moins perméable que la recette de béton B et que finalement la recette de béton C (Tableau 5.4). Cependant, l'écart entre la recette de béton A et la recette de béton B est minime, ce qui ne corrèle pas de manière linéaire avec le rapport massique de l eau sur le ciment (Figure 5.5). La disparité des mesures augmente avec une perméabilité plus importante du béton (Tableau 5.4). Cette disparité peut être visualisée en utilisant une fonction probabiliste lognormale (voir annexe G). 29 November

20 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton kt s kt [10-16 m 2 ] [10-16 m 2 ] Béton A Béton B Béton C TABLEAU 5.4: Moyenne kt et écart type s kt géométrique des mesures de perméabilité Torrent (provenant d une loi probabiliste lognormale [Denarie04]) Une corrélation est proposée avec les valeurs moyennes de la perméabilité à l air de Torrent et le rapport eau sur ciment E/C (Figure 5.5). La perméabilité à l air varie très peu pour les recettes de béton A et B, tandis que pour la recette de béton C, la valeur de perméabilité à l air est dix fois supérieure aux deux autres. FIGURE 5.5: Corrélation entre k T et E/C November 2005

21 Chapitre 6: Confection des éprouvettes 6 Confection des éprouvettes Ce chapitre relate les travaux de sciage et de carottage effectués sur les trois murets, ainsi que sur les dimensions finales des éprouvettes. Ces travaux ont été effectués sur des bétons âgés d une cinquantaine de jours. A chaque point des mesures Torrent (voir annexe E), un carottage de diamètre 50 [mm] a été effectué pour extraire par la suite l'éprouvette finale pour les essais. Les endommagements conséquents par le tube carottier sur les éprouvettes de la recette de béton C a fait changer la hauteur de l'éprouvette prévue initialement à 30 [mm] à 40 [mm]. Pour les recettes de béton A et B, aucun changement n'a été opéré (Figure 6.1 et Tableau 6.1). FIGURE 6.1: Dimensions en millimètre des éprouvettes de béton, avec visualisation du sciage des carottes Lorsque le tube carottier atteint la partie inférieure, il a été difficile d'obtenir une éprouvette à arêtes vives. Très souvent des granulats se sont détachés de l'éprouvette et cela surtout pour le béton C. La vitesse de rotation du tube carottier a été diminuée chaque fois dans cette zone pour créer le moins de dégâts possibles (voir annexe H). Quatre éprouvettes supplémentaires par muret ont été retirées des murets pour y subir une imprégnation ( 11). Béton A et B Béton C hauteur [mm] diamètre [mm] TABLEAU 6.1: Dimensions des éprouvettes 29 November

22 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton 7 Séchage des éprouvettes Dans ce chapitre, la problématique du temps de séchage, la méthode de saturation sous vide des éprouvettes, un descriptif détaillé du matériel d essai et les résultats des mesures sont discutés. 7.1 Généralité Le séchage des éprouvettes s effectue dans une enceinte protégée où la température et l humidité relative de l air sont contrôlées. Dès l entreposage dans ces enceintes, l évolution du poids des éprouvettes est mesurée. Les essais prennent fin lorsqu il y a stabilisation du poids dans les éprouvettes. L humidité relative est contrôlée dans les enceintes et trois configurations différentes de séchage sont testées. atmosphère avec une humidité relative à 75%, atmosphère avec une humidité relative à 50%, atmosphère avec une humidité relative à 25%. 7.2 Déroulement du séchage Les durées de séchage sont difficiles à évaluer à l avance. Aussi pour essayer de garantir un niveau de séchage équivalent, une modélisation, utilisant un maillage tridimensionnel des éprouvettes, a été effectuée [Femasse04]. A partir de cette modélisation, les temps de séchage ont été définis ( 7.2.1) Durées de séchage Le séchage des éprouvettes est un processus extrêmement lent. C est pourquoi, toutes les faces de l éprouvette sont laissées à l air libre. Le temps de séchage, évalué à l aide d un modèle en trois dimensions [Femasse04], s élève à des temps s échelonnant sur plusieurs années pour le point le plus défavorable se situant au centre du cylindre. Ces temps évoluent de quatre à huitante ans pour le meilleur, respectivement pour le pire des cas. Cependant les mesures de poids prennent en considération ce qui se passe d une manière générale sur tout le volume de l éprouvette. Ainsi la diminution de poids se stabilise à environ un tiers du temps par rapport au point le plus défavorable. On peut noter que le séchage à ce point des recettes de béton B et C se confondent. Ceci provient de la différence des dimensions des éprouvettes confectionnées avec les recettes de béton B et C. séchage à 25%, recette de béton A 2 ans et 9 mois, séchage à 25%, recettes de béton B et C 1 an et 3 mois, séchage à 50%, recette de béton A 1 an et 4.5 mois, séchage à 50%, recettes de béton B et C 9 mois, séchage à 75%, recette de béton A 3 mois et 9 jours, séchage à 75%, recettes de béton B et C 1 mois 21 jours La durée de séchage a finalement été choisie, pour des questions d organisation, de disponibilité du laboratoire, différemment (voir aussi Tableau 2.1). séchage à 25%, recettes de béton A, B et C 1 an et 40 jours, séchage à 50%, recettes de béton A, B et C 9 mois et 27 jours, séchage à 75%, recettes de béton A, B et C 3 mois et 9 jours. Ce choix montre que pour les recettes de bétons B et C et pour le séchage à 75%, le niveau de séchage requis est atteint aisément. Pour la recette de béton A soumis à un séchage de 50%, le niveau de séchage dans l éprouvette s élève à 54% d humidité relative, tandis que pour un séchage de 25%, le niveau de séchage s élève à 35% d humidité relative (Figure 7.1). Ce niveau d erreur correspond à peu November 2005

23 Chapitre 7: Séchage des éprouvettes près au niveau de fluctuation de l atmosphère dans l enceinte. De plus, la cure des murets et des échantillons ont été laissés à l air libre en laboratoire avant d être introduits dans l enceinte, ce qui indique que les éprouvettes ne débutent pas leur séchage à 100%, mais à une valeur inférieure (sauf pour les éprouvettes saturées sous vide). FIGURE 7.1: Séchage des éprouvettes initialement à l état de saturation à l aide de MLS-Heat, avec correction du temps (pour obtenir le temps réel pour le point le plus défavorable dans l éprouvette, il suffit de multiplier les valeurs du temps par 30) Les éprouvettes Pour chaque environnement, c est-à-dire pour un séchage à 75%, à 50% et à 25% d humidité relative, 63 éprouvettes ont été placées dans chaque enceintes. Parmi ce nombre, trois éprouvettes ont été au préalablement saturées sous vide [Charron04]. 20 éprouvettes de recette de béton A, 20 éprouvettes de recette de béton B, 20 éprouvettes de recette de béton C, 1 éprouvette saturée sous vide de recette de béton A, 1 éprouvette saturée sous vide de recette de béton B, 1 éprouvette saturée sous vide de recette de béton C 1 éprouvette témoin avec un capteur de température de recette de béton A, 1 éprouvette témoin avec un capteur de température de recette de béton B, 1 éprouvette témoin avec un capteur de température de recette de béton C. Pour l environnement de séchage à 75%, 12 éprouvettes supplémentaires ont été ajoutées dans l enceinte. Ces éprouvettes sont destinées à être traitées par une imprégnation hydrophobe étanche ( 11), ralentissant la vitesse d entrée d eau dans le matériau. 4 éprouvettes de recette de béton A, 4 éprouvettes de recette de béton B, 4 éprouvettes de recette de béton C. 29 November

24 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton Le séchage a débuté dans les enceintes à 75% et 25% d humidité relative, puis dès que la place a été libérée dans l enceinte de 75%, le séchage a pu débuter pour le 50% d humidité relative. Ainsi l âge du béton diffère lors de l introduction des éprouvettes dans les enceintes (Tableau 7.1). Séchage à Béton A et B Béton C 75% et 25% % TABLEAU 7.1: Age en jours des échantillons lors de leur introduction dans les enceintes Saturation sous vide La méthode pour la saturation sous vide des neuf éprouvettes consiste à placer les éprouvettes dans une enceinte hermétique et de pomper l air pour créer une dépression dans l enceinte. Après quelques heures, l eau est introduite dans l enceinte par le bas jusqu à ce qu elle recouvre toutes les éprouvettes. Dès lors, et toujours en dépressurisant l air, les éprouvettes se saturent d eau plus rapidement. Durant cette phase de deux à trois jours, des bulles d air s échappent des échantillons et leur diamètre diminue en fonction du temps. La procédure d essai, ci-après, donne les grandes lignes d exécution de ces essais [Charron04]. 1. Préparer une grande quantité d eau, soit en la faisant bouillir, soit en la soumettant au vide pendant plusieurs heures. 2. Déposer les éprouvettes dans un dessiccateur. 3. Faire le vide dans le dessiccateur pendant 3 heures. 4. Fermer la valve du dessiccateur pour conserver le vide et arrêter la pompe. 5. Faire entrer un mince filet d eau dans le dessiccateur par un robinet pour que le niveau d eau augmente progressivement dans le dessiccateur et submerge les éprouvettes. Le remplissage de dessiccateur doit se faire lentement (entre 2 et 3 heures). 6. Éviter que le niveau d eau n atteigne le robinet par lequel le vide est fait, sinon la pompe aspirera de l eau lors de l étape suivante au lieu de l air. Ceci endommagerait la pompe. 7. Réactiver la pompe pour renouveler le vide dans le dessiccateur contenant l eau et les éprouvettes pendant 72 heures (3 jours). 7.3 Matériels Les enceintes sont des boîtes à gants (traduit de l anglais Glove-Boxvoir, annexe K) hermétiques où sont introduites les éprouvettes en béton. Pour éviter le contact avec l humidité condensé sur le fond des boîtes à gants, les éprouvettes sont posées sur des équerres en aluminium. Ce dispositif permet également aux éprouvettes d avoir un séchage uniforme sur toutes les faces. Posée à l extérieur et au-dessus de la boîte à gants, la balance peut mesurer les poids des éprouvettes par l intermédiaire d une tige métallique connectée en dessous de la balance. Le millième de gramme est la précision des mesures de la balance. La tige métallique accède à l intérieur de la boîte à gants par l intermédiaire d un trou, bouchonné en dehors des périodes de mesures. Au bout de la tige métallique, un support amovible est fixé, destiné à recevoir une éprouvette (voir annexe K). La balance est connectée à un ordinateur, permettant d éviter les erreurs de saisie et d augmenter la rapidité d acquisition des mesures. Pour garantir une bonne homogénéité de l atmosphère dans la boîte à gants, deux ventilateurs sont disposés au-dessus d un bain salin garantissant une atmosphère à humidité constante. Au-dessus des deux ventilateurs, un capteur enregistre à intervalle régulier de dix minutes l évolution de la température et de l humidité relative dans les boîtes à gants (voir annexe K). Ce capteur est également relié à un ordinateur qui enregistre les données November 2005

25 Chapitre 7: Séchage des éprouvettes 7.4 Environnement L atmosphère dans les boîtes à gants se compose essentiellement d azote et de vapeur d eau. Après chaque période de mesures, de l azote est introduit dans les boîtes à gants, réduisant les effets de carbonatation (voir annexe K) [Charron03] [Marchand03]. Les solutions saturées en sel permettent de garder l humidité relative constante dans les boîtes à gants. Lors des pesées des échantillons, la boîte à gants devient moins hermétique (passage de la tige métallique depuis la balance) et l atmosphère s équilibre lentement avec l atmosphère extérieure. Ainsi à la fin des mesures, l introduction de l azote dans les boîtes à gants assèche rapidement l atmosphère. Différents types de sels sont utilisés pour parvenir à contrôler l humidité relative des boîtes à gants [Habel03]. La saturation de ces sels s obtiennent en mélangeant 253, plus de 242 et 36 [g] de sel dans 100 [ml] d eau pour, respectivement dans l ordre, l acétate de potassium, le nitrate de magnésium et le chlorure de sodium. acétate de potassium nitrate de magnésium chlorure de sodium 22% d humidité relative à 20 C, 55% d humidité relative à 20 C, 76% d humidité relative à 20 C. Aucune isolation thermique n existe autour de la boîte à gants. Aussi, l atmosphère dans les boîtes à gants s équilibre avec la température du laboratoire, climatisée à environ 20 C (Tableau 7.2). Dans les annexes, il est possible de visualiser l évolution de l atmosphère dans les boîtes à gants (voir annexe L). température humidité relative Séchage à [ C] [%] 75% ± ± % ± ± % ± ± 3.83 TABLEAU 7.2: Atmosphère dans les boîtes à gants moyenne et écart type 7.5 Résultats De par les dimensions différentes des éprouvettes de béton, l unité de discussion des résultats sont des [kg/m 3 ], les résultats bruts de séchage peuvent être consultés dans les annexes (voir annexe M), et les volumes des échantillons sont discutés dans un des prochains chapitres ( ). Le séchage des éprouvettes dans les boîtes à gants s est déroulé sur des éprouvettes à deux niveaux hydriques différents, les éprouvettes saturées sous vide et les éprouvettes sans aucun traitement. Pour les éprouvettes saturées sous vide, la perte d eau a été anormalement élevée pour toutes les conditions de séchage, voire supérieure à la porosité du béton (Tableau 5.2). En utilisant, une formulation approximative (EQ. 7.1) pour déterminer la porosité d un béton, on peut retrouver la porosité mesurée en laboratoire. La teneur en eau saturée ou la porosité du béton est représentée par w sat, la quantité de ciment en [kg/ m 3 ] par C et la quantité d eau initiale en [kg/m 3 ] par w 0. Les valeurs obtenues par calcul de w sat sont respectivement pour les trois recettes de béton A, B et C de 79, 121 et 134 [kg/m 3 ].Cette perte d eau élevée, durant les essais sur les éprouvettes, peut s expliquer par une microfissuration durant l exécution de la mise en saturation sous vide des éprouvettes (Figure 7.2). Cette microfissuration a été mise en évidence en effectuant un examen microscopique sur lame mince pour la recette de béton C (voir annexe P). Globalement les caractéristiques de microstructure sont voisines pour les bétons traités sous vide et non traités sous vide. Cependant quelques différences sont apparues comme une capillarité légèrement plus forte pour les bétons traités sous vides certainement due à une microfissuration très fine développée dans la pâte de ciment seule et une fissuration en surface du béton un peu plus fréquente de 1 à 10 microns d ouverture s est développé dans les bétons 29 November

26 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton traités sous vide. Ces résultats convergent à d autre essais effectués auparavant pour étude de faisabilité du projet de Suisse Métro [Hammerschlag05]. w sat = w 0 ( C) (EQ 7.1) a) FIGURE 7.2: Pertes et gains d eau durant le séchage et l essai de capillarité, éprouvettes séchées au préalable à a) 25%, b) 50% et c) 75% November 2005

27 Chapitre 7: Séchage des éprouvettes b) c) FIGURE 7.2: Pertes et gains d eau durant le séchage et l essai de capillarité, éprouvettes séchées au préalable à a) 25%, b) 50% et c) 75%. Aussi, une correction de ces quantités d eau évaporée est proposée sous la forme d une diminution de toutes les valeurs des essais par une constante (Figure 7.2). L écart de cette correction est obtenu en minimisant la moyenne des gains d eau des essais de capillarité par rapport aux trois niveaux de séchage. Ces trois écarts valent, respectivement pour les recettes de béton A, B et C, 25.5, 24.1 et 43.2 [kg/m 3 ]. La teneur en eau à l état de saturation de chaque éprouvette est obtenue par l intermédiaire d une approche probabiliste. La porosité ou la teneur en eau à l état de saturation est obtenue par des essais sur des morceaux d éprouvettes ( 5.1.2). A partir de ces résultats d essai, il est possible de construire une loi normale. Dans une deuxième phase, le gain d eau par le test de capillarité est également connu pour chaque éprouvette et comporte également une certaine variabilité. Cette dernière variabilité est combinée de manière linéaire à la variabilité obtenue par le test de porosité et ainsi la teneur en eau à l état de saturation est connue pour chaque éprouvette. En connaissant la teneur en eau à l état de saturation, il est alors possible de connaître la teneur en eau à chaque étape des essais. Cependant, cette teneur en eau est une teneur en eau moyenne sur tout le volume de l éprouvette. En prenant comme hypothèse que les niveaux de séchages moyens (Tableau 7.2) sont atteints, il est possible de construire les isothermes de désorption pour chaque recette de béton (Figure 7.3) à partir des données des échantillons saturés sous vide avec correction des valeurs (Tableau 7.2). A chacun de ces isothermes de désorption, une courbe d un modèle de désorption 29 November

28 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton [Roelfstra89] [Femasse04] a été calculée en modifiant quelques paramètres, comme la température d isotherme, le coefficient d hydratation, la teneur en ciment, la teneur en air, pour obtenir une courbe du modèle la plus proche possible de la courbe mesurée en laboratoire. a) b) c) FIGURE 7.3: Courbe de désorption pour les trois recettes de béton soit a) béton A, b) béton B et c) béton C. L optimisation de la courbe de désorption à l aide des derniers paramètres discutés permet l obtention d une courbe de désorption approchée pour l utilisation du logiciel Heat-MLS [Femasse04], car il n est pas possible dans ce logiciel de donner les caractéristiques de la courbe de désorption mesurée. A l aide du logiciel Heat-MLS, des simulations de séchage dans les mêmes conditions qu en laboratoire ont été effectuées pour obtenir un coefficient de diffusion provenant d une loi de diffusion de Fick. Malheureusement la microfissuration de la pâte de ciment pour les éprouvettes saturées sous vide et les hypothèses de réduction de la porosité ne fournissent un résultat qu approximatif du séchage, puisqu on ne note pas de différence de vitesse de séchage entre les différentes recettes de béton avec les simulations [Conciatori05] November 2005

29 Chapitre 8: Etanchement des éprouvettes 8 Etanchement des éprouvettes Dans ce chapitre, l exécution et le matériel sont discutés pour l étanchement des éprouvettes. Quelques photos précisent le mode opératoire exécuté en laboratoire. 8.1 Généralité Une fois l équilibre hydrique des éprouvettes atteint, les éprouvettes sont préparées pour les essais d adsorption capillaire. L adsorption par capillarité se fait très rapidement dans le béton, par rapport au séchage. Cette rapidité permet d effectuer des essais avec des conditions qui peuvent être utilisées dans un modèle unidirectionnel. Pour obtenir une adsorption par capillarité dans une seule direction, il suffit d étancher les éprouvettes sur toutes leurs faces latérales. 8.2 Exécution de l étanchement Les travaux d étanchement consiste à préparer des moules en aluminium dans un premier temps. Ces moules sont destinés à recevoir les échantillons. Les échantillons sont introduits dans le moule et l étanchéité est garantie par une résine injectée entre le moule et l éprouvette. La résine s injecte au moyen de seringues. Pour une soixantaine d éprouvettes, ce travail s échelonne sur 2 à 3 jours. La maturité du béton lors de l application des échantillons est définie ci-après (Tableau 8.1). Séchage à Béton A Béton B Béton C 75% % % TABLEAU 8.1: Maturité en jours des échantillons lors de l application de l étanchéité 8.3 Matériel et produits Le moule se compose d'un cylindre en aluminium à parois minces, à l'extrémité duquel une plaque en aluminium est collée. Une barre métallique, permettant de suspendre le moule à la balance durant les essais d adsorption capillaire, vient se fixer au moule, et peut être aisément démontée du moule. Cette barre métallique est également torsadée permettant de déplacer plusieurs boulons sur celle-ci. Deux boulons permettent d accueillir et de caler la tige provenant de la balance et sur les deux extrémités de la barre métallique, deux autres boulons permettent de fixer cette barre au moule (Figure 8.1). FIGURE 8.1: Différentes étapes de montage du moule, 1) collage de la base, 2) montage de la barre métallique 29 November

30 Essai d absorption capillaire appliqué sur différentes recettes de béton La résine permet d étancher les faces latérales des éprouvettes ou du vide restant entre le moule et l éprouvette. Cette résine «Sikagard-63 N» est un revêtement deux composants à base de résine époxy, sans solvant [Sika04]. Sa fluidité permet de couler aisément entre l éprouvette et le moule, tandis que sa viscosité impose l utilisation de seringues avec une grosse embouchure (Figure 8.2). De plus, les aiguilles, avec le plus gros diamètre trouvé sur le marché, ont été sciées à un ou deux millimètres, réduisant considérablement les pertes de charge. La seringue permet d introduire la résine directement entre le moule et l éprouvette, évitant toute contamination de la face soumise à l essai de capillarité. Le séchage de la résine prend environ un jour. FIGURE 8.2: Résine à deux composants «sikagard -63 N» Deux dimensions de moules ont été utilisées, ils se distinguent par leur hauteur (hauteur des petits cylindres: 29,76 [mm]; hauteur des grands cylindres: 41,65 [mm]). Les grands moules ont été utilisés pour accueillir les éprouvettes de recette de béton C, tandis que les petits moules ont été utilisés pour les éprouvettes des recettes de béton A et B (Figure 8.3). FIGURE 8.3: Moules et éprouvettes à l état final November 2005