L1-4/2. Analyse statistique de la variabilité spatiale des mesures

Transcription

1 L1-4/2 Analyse statistique de la variabilité spatiale des mesures Acronyme : APPLET Titre complet : Durée de vie des ouvrages : Approche Prédictive Performantielle et probabiliste Dates de début et de fin du projet : / Durée 42 mois Date Auteurs : F. ZHANG, T. ROUGELOT, N. BURLION (LML) Dates des versions révisées : Projet financé par l'agence Nationale de la Recherche sous l'égide du Réseau Génie Civil et Urbain (2006) Niveau de diffusion PU Public X CO Confidentiel

2 Sommaire SOMMAIRE... 1 INTRODUCTION... 2 CHAPITRE 1 - PROTOCOLES EXPERIMENTAUX POUR L ETUDE DE LA VARIABILITE SPATIALE EPROUVETTES ET MATERIAUX TESTES Eprouvettes issues du chantier A2 (viaduc de Compiègne) Eprouvettes issues du chantier A1 (tunnel de l A86) PREPARATION DES EPROUVETTES Mode de conservation avant conditionnement Fabrication des éprouvettes servant aux tests Conditionnement des éprouvettes PROTOCOLES EXPERIMENTAUX DES TESTS EFFECTUES... 8 CHAPITRE 2 RESULTATS ET ANALYSES VARIABILITES SPATIALES LORS DE LA DETERMINATION DE LA POROSITE VARIABILITES SPATIALES DE LA PERMEABILITE VARIABILITES SPATIALES EN COMPRESSION SIMPLE VARIABILITES SPATIALES EN TRACTION PAR FENDAGE CONCLUSION Livrable L1-4/2 Page 1

3 Introduction Les bétons, de qualité courante ou hautes performances, sont très largement utilisés en tant que matériau structurel, au sein du béton armé, de nombreux ouvrages du génie civil, du bâtiment à usage d habitation aux viaducs autoroutiers. L une des caractéristiques importantes lors de l emploi de ces bétons est leur résistance mécanique, mais aussi leur évolution durant la durée de vie de la structure dont ils sont les constituants essentiels. En effet, ils peuvent subir de nombreuses dégradations ou effets différés pouvant conduire à modifier leurs caractéristiques. Par exemple, leur rôle protecteur vis-à-vis des armatures en acier peut être perturbé à long terme par une augmentation de leur perméabilité par lixiviation, ou une carbonatation. Une bonne connaissance de la durée de vie de ces ouvrages est donc primordiale et passe par une détermination de propriétés essentielles permettant de l estimer (porosité, perméabilité, résistance à la pénétration des ions chlorures, ).Par ailleurs, une prédiction fiable de cette durée de vie est nécessaire, dès lors que celle-ci peut dépasser l échelle humaine. Cependant, même si de nombreuses recherches ont déjà été effectuées en ce sens, les différences des propriétés mesurées (perméabilité, résistances à la compression, ) entre des éprouvettes de laboratoire et des éprouvettes issues de chantiers réels n ont été que peu étudiées. De même les protocoles expérimentaux utilisés pour acquérir ces données induisent une part d incertitude, appelés biais expérimentaux. Ainsi, ce travail est mené sur cette problématique. Ce projet vise à identifier et quantifier la variabilité du matériau béton, en particulier sur ses propriétés mécaniques et de transport influençant directement sa durabilité. En complément des investigations menées sur l analyse statistique de la variabilité des données mécaniques et de transport, récapitulées dans le livrable L1-4/1 et focalisées sur la variabilité du matériau et les effets des protocoles expérimentaux sur les grandeurs caractérisées, une étude de la variabilité spatiale des mesures a également été conduite. L objectif est de mettre en évidence l effet de l endroit d où provient l échantillon sur les propriétés physiques et mécaniques des bétons étudiés. Ainsi, une comparaison entre les différentes localisations des éprouvettes carottées en provenance des chantiers de l A86 (chantier A1) et du viaduc de Compiègne (chantier A2) est réalisée dans ce rapport. En outre, une analyse de la représentativité des mesures issues des carottes par rapport à celles effectuées sur les éprouvettes moulées est menée, afin de déterminer dans quelle mesure les caractérisations menées sur des éprouvettes «de laboratoire» (éprouvettes moulées) sont conformes aux grandeurs physiques et mécaniques du béton constitutif d un ouvrage réel. Livrable L1-4/2 Page 2

4 Chapitre 1 - Protocoles expérimentaux pour l étude de la variabilité spatiale Ce premier chapitre rappelle brièvement les matériaux étudiés dans le cadre de l analyse de la variabilité spatiale, les différentes éprouvettes utilisées provenant des ouvrages expérimentaux (voile du chantier A1, chevêtre du chantier A2) et leurs préparations avant de les soumettre aux tests de caractérisation. Les protocoles expérimentaux utilisés pour la détermination de la porosité, perméabilité, résistance en traction par fendage et compression simple ainsi que détermination des paramètres élastiques sont identiques à ceux décrits dans le chapitre 1 du livrable 1-4/1, auquel le lecteur est invité à se référer pour une description détaillée. 1.1 Eprouvettes et matériaux testés Eprouvettes issues du chantier A2 (viaduc de Compiègne) Une première série d éprouvettes est issue d un chantier de réalisation d un viaduc à Compiègne chantier A2). Le béton utilisé est un béton ordinaire (C35/45) fabriqué par une centrale de béton prêt à l emploi. Dans le cadre de ce chantier, un chevêtre expérimental est réalisé dans l optique d y carotter des échantillons issus d un ouvrage réel. (1,8m) 5,2 m (1,8m) 2m 1,4m 0,2 m 1,4m (0,1m ; 1m ; 1,8m) (1,8m) 1 m 6,3 m 1,6 m Figure Vue de dessus du chevêtre expérimental, avec localisation des sones de carottages en trait pointillés (schéma issus des documents Applet) Livrable L1-4/2 Page 3

5 Ce chevêtre a une hauteur de 3,25 m. Sa face inférieure a pour dimensions 2,94 x 3,84 m, sa face supérieure 5,20 x 6,30 m. Il est coulé en une demi-journée par couches de d épaisseur maximale de 40 cm vibrées dans les règles de l art. Dans le même temps sont réalisées des éprouvettes cylindriques moulées de diamètre 110 mm et de hauteur 220 mm, démoulées 2 jours après et conservées dans l eau saturée en chaux (cf. L1-4/1). Les carottes au sein du chevêtre expérimental sont réalisées depuis la surface supérieure de l ouvrage, sur une hauteur d environ un mètre, pour un diamètre d environ 94 mm. La localisation des carottes dans l ouvrage est donnée dans la Figure 1.1. Au global, les éprouvettes fournies par ce chantier se répartissent comme suit : - 8 éprouvettes carottées au sein du chevêtre expérimental, étudiées dans ce livrable, desquelles seront extraites des échantillons pour la réalisation des différentes caractérisations éprouvettes moulées dans des moules cylindriques en carton de diamètre 110 mm et de hauteur 220 mm (étudiées dans le L1-4/1), qui serviront de point de comparaison. Ces 2 types d éprouvettes sont caractéristiques du même béton, du lot référencé A Eprouvettes issues du chantier A1 (tunnel de l A86) Le second chantier dont proviennent les éprouvettes est celui du tunnel de l autoroute A86 à l ouest (chantier A1). Les caractéristiques visées de ce béton hautes performances sont une résistance caractéristique à 28 jours de 50MPa (C50/60), avec une consistance de 13 +/- 3 cm, pompable sur 50 mètres. Les éprouvettes qui seront testées se divisent en deux lots : - 40 éprouvettes moulées dans des moules cylindriques cartonnés de diamètre 110 mm et de hauteur 220 mm, réalisées en même temps que le coulage du voile expérimental et étudiées dans le L1-4/ éprouvettes cylindriques carottées (diamètre : environ 104 mm, longueur : 220 mm) provenant d un voile expérimental de dimensions 2,50 m x 2,50 m x 0,30 m d épaisseur. La localisation de ces éprouvettes est mentionnée sur la Figure 1.2, et Livrable L1-4/2 Page 4

6 proviennent pour moitié de la partie supérieure du voile (rangée B, colonnes 2, 4, 10, 12 et 14), et pour l autre moitié de la partie inférieure (rangée N, colonnes 2, 4, 10, 12 et 14). Il est à noter que les éprouvettes provenant de la rangée B sont issues d une gâchée différente de celles issues de la rangée N, mais du même jour de coulage (05/06/2007). Ces 2 types d éprouvettes sont caractéristiques du même béton, du lot référencé A1-13. Figure 1.2 Localisation des éprouvettes dans le voile expérimental. Les éprouvettes étudiées sont indiquées par un point en leur centre (aux intersections des lignes B et N et des colonnes 2, 4, 10, 12 et 14) Livrable L1-4/2 Page 5

7 1.2 Préparation des éprouvettes Mode de conservation avant conditionnement Les éprouvettes utilisées provenant des deux chantiers (A1 et A2) sont mises en conservation lors de leur réception dans une piscine d eau saturée en chaux afin d éviter tout séchage préalable aux tests, et ce de manière identique pour les éprouvettes moulées ou carottées à partir des ouvrages expérimentaux. La température est maintenue à 20 C +/- 2 C. Leur poids est relevé régulièrement afin de suivre l état d avancement du processus d hydratation. La durée de conservation dans ces conditions est d au moins 6 mois avant tout test pour les éprouvettes A1-13, et de 3 mois pour les éprouvettes A2-1.Toutes les éprouvettes utilisées lors des tests sont cylindriques et préparées à partir des éprouvettes reçues Fabrication des éprouvettes servant aux tests Avant d effectuer les essais à proprement parler, les éprouvettes doivent être préparées selon leur destination, à savoir tests de compression simple, traction par fendage, mesure de la porosité à l eau et mesure de la perméabilité au gaz, pour des raisons de mise en œuvre, de nombre d éprouvettes à tester et de durée des essais. Les éprouvettes fabriquées se décomposent en 2 lots Eprouvettes issues du voile expérimental du chantier A1 Les éprouvettes issues des carottes du voile expérimental de l A86 ont un diamètre moyen de 104 mm, et suivent les mêmes processus que pour les éprouvettes moulées, à savoir une rectification à la rectifieuse Controlab sur leur face supérieure par passes de 0,15 mm, puis sur leur face inférieure pour former des éprouvettes de 104 mm de diamètre et 222 mm de long pour la compression simple. Des éprouvettes carottées de petit diamètre (37 mm, hauteur 74 mm) sont également réalisées selon les étapes suivantes : - sciage de l éprouvette moulée en 2 demi-éprouvettes cylindriques au moyen d une tronçonneuse - carottage à l eau de 3 petites éprouvettes (diamètre : 37mm) par demi-éprouvette - sciage des petites éprouvettes à une longueur proche de celle désirée (77 mm) Livrable L1-4/2 Page 6

8 - rectification au tour des faces des éprouvettes pour obtention de la bonne longueur (74 mm) uniquement pour les éprouvettes testées en perméabilité et compression Eprouvettes issues du chevêtre expérimental du chantier A2 Les éprouvettes issues des carottes de Compiègne (diamètre moyen : 94 mm, longueur initiale d environ 1 mètre) sont préparées par : - sciage d une éprouvette d environ 210 mm par tronçonnage (dans la partie supérieure ou inférieure de la carotte) - rectification des faces à la rectifieuse pour les amener à la longueur désirée (200 mm, soit environ le double du diamètre) Il est à noter que pour la préparation des éprouvettes issues du chevêtre, certaines contraintes ont dû être prises en compte. En effet, les carottes d un mètre de long fournies étaient livrées en plusieurs morceaux (entre 2 et 4 morceaux de longueur variable). D autres part, certaines carottes comportaient des barres d acier en leur sein, rendant impossible leur utilisation dans les essais. Pour ces raisons, les éprouvettes supérieures (resp. inférieures) découpées dans ces carottes proviennent de la partie exploitable la plus haute (resp. basse) de la carotte. Ainsi l éprouvette supérieure est située dans les 50 premiers centimètres de la carotte, l éprouvette inférieure dans les 50 derniers centimètres Conditionnement des éprouvettes Une fois préparées, les éprouvettes sont replacées en piscine thermostatée (20 C +/- 2 C) remplie d eau saturée en chaux. Le séchage «à l air libre» des éprouvettes avant compression ou fendage s effectue au sein d une pièce climatisée du laboratoire. La température moyenne observée est de 22 C (plus ou moins 2 C), l humidité relative ambiante variant de 35 à 50 % sur la période de séchage. Le séchage à 60, 90 et 105 C est quant à lui réalisé en étuve Binder. La précision est de +/- 1 C Livrable L1-4/2 Page 7

9 1.3 Protocoles expérimentaux des tests effectués Cette partie concerne les protocoles expérimentaux utilisés pour la réalisation des essais mécaniques, pour l étude de la porosité à l eau ainsi que de la perméabilité au gaz des différentes éprouvettes. Le lecteur est invité à se référer au livrable L1-4/1 intitulé «Analyse statistique de la variabilité des données mécaniques et de transport» où les protocoles utilisés pour ces différentes caractérisations ont été décrits, et en particulier : - le paragraphe pour la compression simple - le paragraphe pour la traction indirecte par fendage - le paragraphe pour la mesure de la porosité à l eau - le paragraphe pour la perméabilité Le tableau récapitulatif des différentes éprouvettes testées, incluant les chantiers A1 et A2 et les éprouvettes de base moulées ou carottées, est rappelé dans le tableau 1.1. Les nombres d éprouvettes sont donnés à titre indicatif, certaines éprouvettes n ayant pas été testées ou n ayant pu fournir de résultats satisfaisants. Livrable L1-4/2 Page 8

10 Essai Compression simple Eprouvette de base moulées 110*220 carottes Eprouvette testée 110*220 rectifiées 37*74 carottées A1 104*220 A2 94*200 Chantier A2 - Lot A2-1 Chantier A1 - Lot A1-13 nombre conditions nombre conditions 3 séchage 2j 12 séchage 2j 3 séchage 7j 3 séchage 14j 2 séchage 30j 3 séchage 30j 3+3 séchage 2j 5 6 séchage 2j haut de la carotte séchage 2j bas de la carotte 3 3 séchage 2j haut du voile séchage 2j bas du voile Fendage Perméabilité Porosité moulées 110*220 carottes moulées 110*220 carottes moulées 110*220 carottes 37*74 carottées 110*220 rectifiées 104*220 rectifiées 37*74 carottées 37*74 carottées 37*74 carottées 37*74 carottées 6 séchage 2j 6 séchage 30j 6 séchage 2j 3 séchage 30j séchage 2j 2 haut de la carotte séchage 2j 2 bas de la carotte 3 90 C 6 90 C 3 90 C > 105 C 3 90 C haut du voile 4 90 C bas du voile 8 60 C > 90 C > 105 C 60 C > 90 C 39 > 105 C C 6 haut du voile 6 bas du voile Tableau 1.1 Récapitulatif de la répartition des éprouvettes selon les essais Livrable L1-4/2 Page 9

11 Chapitre 2 Résultats et analyses Les protocoles décrits dans la partie précédente ont été utilisés dans le cadre de cette étude sur les éprouvettes carottées issues des ouvrages expérimentaux des chantiers A1 et A2. Les résultats des campagnes expérimentales menées sont présentés et analysés vis-à-vis des variabilités spatiales dans ce chapitre. Une comparaison avec les valeurs obtenues sur les éprouvettes moulées est également dressée. 2.1 Variabilités spatiales lors de la détermination de la porosité Le premier type de variabilité spatiale pouvant être recherchée concerne la porosité du matériau, selon la provenance en partie supérieure ou inférieure d un ouvrage expérimental. Afin de l étudier, le protocole décrit dans le chapitre précédent est appliqué à 2 éprouvettes carottées (104*220 mm) dans le voile expérimental, l une en partie haute (rangée B, colonne 12, référencéeb12), l autre en partie basse (rangée N, colonne 4, référencée N4). Figure 2.1 Perte en poids des éprouvettes 37*74 (issues d éprouvettes carottées dans le voile expérimental, chantier A1) en fonction du temps lors d un séchage à 60 C. Les éprouvettes référencées N proviennent du bas du voile, celles référencées B de la partie supérieure. La moyenne sur les 6 éprouvettes issues de chaque carotte est tracée. Livrable L1-4/2 Page 10

12 Cette porosité est mesurée à partir de 6 éprouvettes carottées 37*74 mm dans chacune d entre elles. Cette méthodologie assure d avoir un échantillonnage adéquat de l éprouvette issue du voile expérimental et donc du matériau à proximité de l endroit du carottage, comme montré dans l étude statistique de la porosité menée dans le paragraphe 2.1 du livrable L1-4/1. Dans un premier temps, il est proposé d étudier la porosité de ces éprouvettes après séchage en étuve à 60 C. La figure 2.1 présente l évolution de la perte en poids de chacune des éprouvettes 37*74 mm (référencées N4-1 à N4-6 pour l éprouvette carottée N4, B12-1 à B12-6 pour l éprouvette carottée B12) selon la localisation dans l ouvrage, ainsi que l évolution de la moyenne des 6 éprouvettes issues de l éprouvette N4 ou B12. Il apparaît nettement que pour ces 2 séries d éprouvettes, la perte en poids au cours du séchage à 60 C est différente selon si la carotte provient du haut ou du bas du voile. Ainsi, pour l éprouvette N4 (bas du voile), la perte en poids moyenne est plus faible après n importe quelle durée de séchage à 60 C que pour l éprouvette B12. La quantité d eau pouvant être extraite de l éprouvette B12 est donc plus importante, et se fait avec une cinétique plus rapide, indiquant un réseau poreux différent de l éprouvette N4. Cette observation est renforcée par l étude de chacune des éprouvettes 37*74 mm : 5 des 6 éprouvettes issues de la carotte N4 ont une perte en poids plus faible que celles issues de la carotte B12, tendant à étayer l hypothèse d une nette modification de réseau poreux, et non une simple variabilité expérimentale de mesure. Eprouvettes N4 B12 Moulées Porosité moyenne 9,9% 10,8% 10,1% Ecart-type 0,20% 0,46% 0,66% Coefficient de variation 2,0% 4,3% 6,5% Tableau 2.1 Porosité à 60 C des carottes N4 et B12, et des éprouvettes moulées Le tableau 2.1 récapitule la valeur de la porosité pour les carottes N4 et B12 mesurées à 60 C, calculée à partir de la moyenne des 6 éprouvettes 37*74 mm extraites de chacune d entre elles. La valeur de la porosité calculée sur l ensemble des 39 carottes 37*74 mm issues d éprouvettes moulées du lot A1-13 (même béton que celui mis en œuvre dans le voile) est rappelée à titre de comparaison. La porosité calculée est donc bien supérieure de près de 10% pour l éprouvette B12 comparativement à la N4. D autre part, la porosité moyenne mesurée sur les éprouvettes moulées était de 10,1%, soit une valeur très proche de celle mesurée sur la carotte N4. Il est rappelé que les porosités moyennes mesurées sur les 8 éprouvettes moulées variaient entre 9,7 et 10,5%. La carotte N14 s inscrit donc bien dans cette plage, alors que l éprouvette B12 est au-delà de la valeur la plus grande. Au vu des faibles écarts-type pour ces différentes éprouvettes, le fait que la valeur de l éprouvette B12 témoigne bien d une porosité plus importante dans la partie supérieure du voile Livrable L1-4/2 Page 11

13 que dans la partie inférieure semble être validé. La mise en œuvre du béton au sein du voile expérimental, ainsi que l utilisation de deux gâchées distinctes pour le réaliser est très certainement à l origine de ces variations. En particulier, un effet de compaction sous l effet du poids propre du béton frais peut être évoqué, expliquant une moindre porosité en partie inférieure du voile. Afin d étayer au mieux ces affirmations, la porosité mesurée à 90 et 105 C sur les carottes N4 et B12 est donnée dans le tableau 2.2, et les valeurs mesurées sur les éprouvettes moulées sont rappelées. Les mêmes constations que celles émises pour la porosité à 60 C peuvent être déduites des résultats. Notamment, la porosité de l éprouvette N4 est plus faible que celle de l éprouvette B12, et similaire à celle mesurée sur les éprouvettes moulées. Température 90 C 105 C Eprouvettes N4 B12 Moulées N4 B12 Moulées Porosité moyenne 10,7% 11,6% 10,9% 11,3% 12,2% 11,5% Ecart-type 0,23% 0,52% 0,69% 0,22% 0,54% 0,75% Coefficient de variation 2,13% 4,50% 6,35% 1,96% 4,46% 6,49% Tableau 2.2 Porosité à 90 et 105 C des carottes N4 et B12, et des éprouvettes moulées En ce qui concerne la porosité à l eau sur le béton du chantier A1, il peut être conclu qu une variabilité spatiale existe entre la partie supérieure et inférieure du voile, avec une valeur plus faible en pied de voile, probablement liée à la mise en œuvre du matériau et une légère compaction sous l effet de son poids propre, et peut-être également à une variabilité du matériau. En effet, 2 gâchées différentes ont été utilisées pour la réalisation de voile. En outre, il apparaît une très faible différence de porosité entre l éprouvette carottée en bas de voile et les éprouvettes moulées. La caractérisation du matériau dans cette partie inférieure du voile semble pouvoir être réalisée indépendamment sur une carotte extraite de l ouvrage ou une éprouvette moulée «de laboratoire». En revanche, du fait de la variabilité spatiale au sein du voile, le matériau au niveau de la rangée B du voile présente un écart de l ordre de 7 % avec la porosité moyenne. 2.2 Variabilités spatiales de la perméabilité L étude des variabilités expérimentales s intéresse maintenant à celles lors de la détermination de la perméabilité. En accord avec le protocole décrit dans le chapitre 1, cette partie regroupe les essais de perméabilité menés sur les carottes extraites du voile expérimental, et plus exactement sur des carottes 37*74 mm issues de ces carottes du voile du chantier A1. Livrable L1-4/2 Page 12

14 La carotte N12 (rangée N, colonne 12), provenant de la partie inférieure du voile est alors caractérisée par 4 éprouvettes 37*74 mm carottées en son sein. La carotte B4 (rangée B, colonne 4) provenant de la partie supérieure du voile est caractérisée par 3 éprouvettes 37*74 mm. La perméabilité est mesurée à l argon gazeux, de manière similaire aux éprouvettes moulées du lot A1-13. La pression de confinement est de 40 bars, la pression d injection de 20 bars, et la détermination de la perméabilité est réalisée sur une chute de pression de 0,25 bar, mesurée 10 secondes après la fermeture du circuit d alimentation externe (seul le circuit tampon alimente l éprouvette en gaz). Les éprouvettes testées ont été séchées préalablement, jusqu à poids constant, en étuve à 90 C directement. Le tableau 2.3 regroupe l ensemble des informations sur la perméabilité des carottes N12 et B4, ainsi que celle qui a été déterminée à partir des éprouvettes moulées «de laboratoire» (cf. livrable L1-4/1). Les perméabilités indiquées pour les éprouvettes N12 et B4 sont la moyenne de 2 mesures sur chacune des 3 ou 4 échantillons 37*74 mm carottés en leur sein. De plus, la porosité à 90 C (étuvage à 90 C directement, sans l étape à 60 C) de ces éprouvettes est également déterminée et intégrée dans ce tableau. Il ressort de ces résultats qu à nouveau la porosité de la carotte issue du bas du voile (N12) est plus faible que celle issue de la partie supérieure (B12). Ceci corrobore les conclusions du paragraphe précédent sur la variabilité spatiale de cette porosité, même si l écart est légèrement moindre. Il peut également être noté que la porosité à 90 C est supérieure à celle mesurée en passant par un étuvage préalable à 60 C avant l étuvage à 90 C, que ce soit pour les carottes N ou B ou les éprouvettes moulées. Le plus fort gradient hydrique et thermique dans un séchage direct à 90 C modifie donc la microstructure du matériau, par la génération probable d un réseau de microfissures plus ouvertes et/ou mieux connectées que par un séchage en 2 étapes. Les valeurs des porosités sur les carottes restent néanmoins proches de celles des éprouvettes moulées. En étudiant à présent la perméabilité des carottes, il en ressort une tendance très ténue avec une perméabilité très légèrement inférieure (5% de variation relative) pour l éprouvette N12 comparativement à l éprouvette B12. En s intéressant à l écart-type de ces perméabilités, il en ressort que cette différence pourrait être en partie liée à la précision même de la mesure. Toutefois, au regard des conclusions tirées sur la porosité, cette tendance sur les résultats de perméabilité, même faible, est celle qui pourrait être espérée : pour un même matériau, une porosité plus importante devrait aller de pair avec une perméabilité plus grande. La comparaison avec la porosité et la perméabilité des éprouvettes moulées (porosité plus faible que la carotte B4, mais perméabilité Livrable L1-4/2 Page 13

15 plus grande) vient limiter la confiance dans la tendance évoquée, et une claire variabilité spatiale de la perméabilité au sein du voile expérimental ne peut être affirmée. Eprouvettes N12 B4 Moulées Perméabilité moyenne (m²) 2,47E-17 2,60E-17 2,80E-17 Ecart-type (m²) 1,70E-18 2,87E-18 3,40E-18 Coefficient de variation 6,9% 11,1% 12,1% Porosité moyenne (90 C) 11,7% 12,2% 12,0% Nombre d'éprouvettes Tableau 2.3 Perméabilité et porosité direct à 90 C d éprouvettes moulées et carottées du chantier A1. La perméabilité des éprouvettes carottées et moulées est du même ordre de grandeur, avec une valeur 12% inférieure pour la carotte N4 par rapport aux éprouvettes moulées, et 7% pour la carotte B12. Ces variations entre éprouvettes de laboratoire et issues d ouvrages réels restent assez faibles, notamment au regard de la dispersion des résultats (coefficient de variation 12% pour les éprouvettes moulées, pouvant diminuer à 7% pour la carotte N12, une valeur moyenne de 10% pouvant être retenue et liée aux variabilités mêmes du matériau au sein de l éprouvette ainsi qu aux biais expérimentaux du protocole retenu). 2.3 Variabilités spatiales en compression simple Ayant caractérisé la variabilité spatiale, du réseau poreux du béton du chantier A1 au travers de la porosité et de la perméabilité, et qui peuvent grandement influencer la durabilité des matériaux, l accent est mis dans cette partie sur le comportement mécanique. Une étude des propriétés élastiques et des résistances en compression est menée en fonction de la localisation des éprouvettes dans les ouvrages expérimentaux. Les essais sont réalisés sur 6 éprouvettes carottées (104*220 mm) dans le voile expérimental du chantier A1 dont les surfaces ont été rectifiées. 3 éprouvettes proviennent de la partie supérieure du voile (rangée B) et 3 de la partie inférieure (rangée N). Une comparaison sera dressée avec les éprouvettes moulées testées en compression simple (décrites au 2.3 du livrable L1-4/1), dont les dimensions sont 110*220 mm. Les éprouvettes (moulées ou carottées) testées sont séchées en conditions ambiantes pendant 2 jours avant test. Les pertes en poids des éprouvettes moulées durant ce séchage sont de 0,11%, et de 0,18% pour les éprouvettes carottées. Cette différence peut être expliquées par le rapport surface séchante/volume de l éprouvette plus grand pour les éprouvettes carottées. Cependant, seule une faible augmentation de la résistance avait été Livrable L1-4/2 Page 14

16 constatée avec le séchage sur les éprouvettes moulées du lot A1-13 (résistance augmentant de 69,2 à 71,5 MPa pour une perte en poids passant de 0,11% à 0,25 %) Le module d Young et le coefficient de Poisson sont mesurés sur le cycle en décharge (segment AB du cycle) à 30 MPa pour les éprouvettes carottées et à 25 MPa pour les éprouvettes moulées (la différence en contrainte s expliquant par le diamètre légèrement différent entre les éprouvettes moulées et carottées, la force appliquée étant identique cycle kn). Les déformations sont mesurées à l aide d une jauge axiale et d une jauge transversale. Pour la résistance en compression, elle est mesurée sur la presse Controlab de 2000 kn (plateau supérieur rotulé) à une vitesse de chargement de 0,5 MPa/s. Le tableau 2.4 regroupe les données statistiques des résultats en compression simple sur ces éprouvettes du chantier A1, carottées ou moulées. Localisation Moyenne Ecart-type Coef. Var. Nombre Ep. Haut du voile ,7% 3 Module d'young (MPa) Bas du voile ,5% 3 Moyenne voile ,8% 6 Moulées ,5% 9 Haut du voile 0,221 0,011 4,7% 3 Coefficient de Poisson Bas du voile 0,26 0,06 23,0% 3 Moyenne voile 0,241 0,044 18,2% 6 Moulées 0,228 0,039 17,2% 9 Haut du voile 66,9 2,8 4,2% 3 Résistance à la Bas du voile 66,1 6,3 9,5% 3 compression (MPa) Moyenne voile 66,5 4,4 6,6% 6 Moulées 69,2 10,6 15,0% 12 Tableau 2.3 Résultats des essais de compression simple sur éprouvettes carottées dans le voile expérimental du chantier A1. Les résultats sur les éprouvettes moulées (lot A1-13) testées de manière analogue sont également indiqués. La résistance moyenne à la compression est identique pour les éprouvettes issues du haut ou du bas du voile, avec une valeur comprise entre 66 et 67 MPa et un écart-type moyen de 4,4 MPa. Une très faible augmentation est notée pour les éprouvettes issues du haut du voile, mais est dans la plage de variation expérimentale : aucune variabilité spatiale au sein de l ouvrage expérimental ne peut être constatée, contrairement à ce qui avait pu être observé pour la porosité. Les effets liés à la mise en œuvre différente entre ouvrage réel et éprouvettes moulées ont un impact assez faible sur cette résistance. Comparativement aux éprouvettes moulées (12 éprouvettes testées), la dispersion des résultats est plus faible (coefficient de variation de moins de 7% comparativement à 15%) et la valeur moyenne de résistance est inférieure de 3 MPa. Cependant, parmi les 12 éprouvettes moulées testées, 3 ont subi un chargement différent jusqu à 50 MPa lors de la détermination des paramètres élastiques (plateau supérieur de la presse Instron fixé). En écartant ces valeurs, la valeur moyenne de Livrable L1-4/2 Page 15

17 résistance est alors de 65,4 MPa, ne présentant plus un écart que de 1,1 MPa, mais l effet du séchage entre 2 et 7 jours serait alors plus important (augmentation de 65,4 à 71,5 MPa). D autre part, il est à noter qu un léger effet d échelle (le diamètre des éprouvettes moulées étant d environ 110 mm contre 104 mm pour les éprouvettes carottées) pourrait exister, et une résistance très légèrement supérieure des éprouvettes dont le diamètre est plus faible serait possible. La résistance à la compression peut donc être mesurée sans écart notable sur les éprouvettes moulées de laboratoire par rapport au matériau réellement mis en œuvre. Concernant le module d Young, une valeur moyenne plus élevée est constatée sur les éprouvettes provenant de la partie inférieure du voile (48,8 GPa contre 42,7 GPa en partie supérieure). Ceci pourrait être attribué à l effet de compaction sous le poids propre du béton, plus intense en partie basse. De manière inverse, le coefficient de Poisson apparaît plus élevé pour les éprouvettes issues de la partie basse, même si la dispersion des résultats est bien plus élevée (18% contre 13%) que pour les mesures du module d Young. Ainsi, il semblerait que les variations constatées sur ces paramètres élastiques puissent en partie être attribuées à une variabilité spatiale au sein de l ouvrage, même si la tendance contraire pour le coefficient de Poisson et les module d Young en fonction de la position laisse à penser qu une grande part des écarts constatés soit attribuable à des variabilités expérimentales plus que spatiales (notamment en regard du coefficient de variation du coefficient de Poisson). En comparant ces valeurs à celles mesurées sur les éprouvettes moulées 110*220 mm issues du même chantier et du même jour de coulage, le module d Young moyen mesuré sur les éprouvettes carottées est 10% supérieur à celui des éprouvettes moulées. Le coefficient de Poisson quant à lui passe d une valeur moyenne de 0,23 à 0,24 entre éprouvettes carottées et moulées. Une attention particulière quant à la représentativité des éprouvettes moulées, en particulier vis-à-vis du module d Young du matériau mis en œuvre dans l ouvrage réel, doit donc être portée. Une étude analogue entre éprouvettes carottées en partie supérieure ou inférieure du chevêtre expérimental du chantier A2 est également conduite. Les essais sont réalisés sur 12 éprouvettes carottées (94*200 mm) dans le chevêtre expérimental et dont les surfaces ont été rectifiées. 6 éprouvettes proviennent de la partie supérieure de l ouvrage (dans les 50 centimètres supérieurs) et 6 de la partie inférieure (dans les 50 centimètres inférieurs). Une comparaison sera dressée avec les éprouvettes moulées testées en compression simple (décrites au 2.3 du livrable L1-4/1), dont les dimensions sont 110*220 mm. Les éprouvettes (moulées ou carottées) testées sont séchées en conditions ambiantes pendant 2 jours avant test. Les pertes en poids des éprouvettes moulées durant ce séchage sont de 0,33%, et de 0,44% pour les éprouvettes carottées. A nouveau, cette Livrable L1-4/2 Page 16

18 différence peut être expliquées par le rapport surface séchante/volume de l éprouvette plus grand pour les éprouvettes carottées. L augmentation de résistance constatée entre les éprouvettes moulées séchées pendant 2 et 30 jours du lot A2-1 est cependant extrêmement ténue (de 57,9 à 58,5 MPa). Aucun effet lié à cette différence de perte en poids n est donc attendu. Seul un léger effet d échelle pourrait exister, lié au diamètre des éprouvettes testées (110 mm pour les moulées contre 94 mm pour les carottes), sachant que les éprouvettes les plus petites ont un diamètre plus de 3 fois supérieur au diamètre du plus gros granulat utilisé et donc que cet effet est probablement négligeable. Le module d Young et le coefficient de Poisson sont mesurés sur le cycle en décharge (segment AB du cycle) à 20 MPa pour les éprouvettes carottées et à 25 MPa pour les éprouvettes moulées (la différence en contrainte s expliquant par le diamètre différent entre les éprouvettes moulées et carottées). Les déformations sont à nouveau mesurées par des jauges d extensométrie collées à la surface des éprouvettes. Le tableau 2.4 récapitule les résultats concernant le module d Young, le coefficient de Poisson et la résistance à la compression simple. Module d'young (MPa) Coefficient de Poisson Résistance à la compression (MPa) Localisation Moyenne Ecarttype Coef. Var. Nombre Ep. Haut du chevêtre ,0% 5 Bas du chevêtre ,6% 6 Moyenne chevêtre ,5% 6 Moulées ,1% 3 Haut du chevêtre 0,237 0,04 17,1% 5 Bas du chevêtre 0,283 0,053 18,6% 6 Moyenne chevêtre 0,262 0,051 19,5% 6 Moulées 0,272 0,046 17,1% 3 Haut du chevêtre 58,2 4 6,9% 5 Bas du chevêtre 55,7 2 3,7% 6 Moyenne chevêtre 56,8 3,2 5,6% 6 Moulées 57,9 7,8 13,5% 3 Tableau 2.4 Résultats des essais de compression simple sur éprouvettes carottées dans le chevêtre expérimental du chantier A2. Les résultats sur les éprouvettes moulées (lot A2-1) testées de manière analogue sont également indiqués. Il en résulte que la résistance à la compression est légèrement supérieure pour les éprouvettes provenant du haut du chevêtre (4,5 % d augmentation) par rapport à la partie inférieure. Cette augmentation est un peu plus notable que pour le voile expérimental du chantier A1. Toutefois, la résistance moyenne de ces éprouvettes carottées reste très proche de celle des éprouvettes moulées du lot A2-1 (même journée de bétonnage que le chevêtre expérimental), avec une différence de seulement 1,1 MPa. Une légère variabilité spatiale au sein de l ouvrage expérimental est donc Livrable L1-4/2 Page 17

19 constatée, mais la caractérisation de cette résistance du matériau à partir d éprouvettes moulées de laboratoire semble adéquate. En s intéressant aux propriétés élastiques de ces carottes du chantier A2, des tendances similaires à celles observées sur les éprouvettes carottées du chantier A1 sont observables. Ainsi, le module d Young est plus élevé dans la partie inférieure de l ouvrage (40,2 GPa contre 35,2 GPa), mais le coefficient de Poisson y est plus élevé (0,28 contre 0,24 en partie supérieure). Un léger effet dû à la localisation dans le chevêtre est donc constaté, et pourrait là encore être dû à une différence de compaction du béton sous l effet de son poids propre, ainsi qu à des variabilités expérimentales et inhérentes au matériau mis en œuvre sans que la contribution de chacune de ces variations ne puisse être quantifiée précisément. Enfin, ces valeurs sont comparées avec celles mesurées sur les éprouvettes moulées. Leur représentativité vis-à-vis du matériau constitutif du chevêtre est très bonne, avec un module d Young de 37,7 contre 37,9 GPa sur les carottes et un coefficient de Poisson de 0,26 par rapport à 0, Variabilités spatiales en traction par fendage Une dernière propriété mécanique est soumise à l analyse de sa variabilité spatiale dans l ouvrage réel : la résistance à la traction par fendage. Cette étude est menée sur 4 éprouvettes 94*200 mm carottées dans le chevêtre du chantier A2 (2 éprouvettes en partie haute, 2 éprouvettes en partie basse). Les éprouvettes testées sont séchées en conditions ambiantes pendant 2 jours avant test. Le tableau 2.5 regroupe les résultats obtenus, ainsi que ceux déterminés à partir de carottes 37*74 mm issues des éprouvettes moulées du lot A2-1. Localisation Carotte 1 Carotte 19 Moyenne carottes Moulées Diamètre (mm) Résistance Haut du chevêtre (MPa) 4 3,8 3,9 - Résistance Bas du chevêtre (MPa) 3,7 3,4 3,6 - Résistance moyenne 3,9 3,6 3,7 5,5 Tableau 2.4 Résistance à la traction par fendage des éprouvettes carottées et moulées du chantier A2 séchées pendant 2 jours. Une résistance à la traction par fendage légèrement supérieure (moins de 10 %) pour les carottes 94*200 mm provenant de la partie supérieure du chevêtre est observée (3,9 MPa contre 3,6 MPa en moyenne). Ceci corrobore ce qui avait pu être constaté en compression simple sur le même type de carottes du chantier A2, et est probablement attribuable à une légère variabilité spatiale de mise en œuvre du béton. Les résistances à la traction mesurées sur les éprouvettes moulées est en revanche Livrable L1-4/2 Page 18

20 bien supérieur à celles déterminées sur ces carottes. Ceci est lié à un effet d échelle, le diamètre des éprouvettes carottées issues d éprouvettes moulées étant de 37 mm, soit moins de 2 fois le diamètre du plus gros granulat. La résistance sur ces éprouvettes de 37 mm est donc plus une résistance structurelle de l éprouvette que du matériau qui la compose. Une observation similaire sur les éprouvettes moulées (chantier A1) testées en compression simple avait été faite (cf. livrable L1-4/ ). Livrable L1-4/2 Page 19

21 Conclusion Ce rapport a permis de présenter une analyse de la variabilité spatiale des propriétés de transport et mécaniques dans les bétons, passant par l étude des effets de la localisation des éprouvettes au sein des ouvrages expérimentaux. De plus, une comparaison par rapport aux éprouvettes de laboratoires étudiées dans le livrable L1-4/1 a été réalisée, afin d évaluer la représentativité de ces éprouvettes par rapport au matériau réellement mis en œuvre dans les ouvrages réels. Une légère variabilité spatiale sur la porosité mesurée après étuvage à 60, 90 ou 105 C a pu être mise en évidence sur les carottes en provenance du voile expérimental, selon leur localisation en partie supérieure ou inférieure. En revanche, leur perméabilité au gaz apparaît comme moins sensible à cet localisation, même si une plus faible porosité pour les carottes de la partie basse du voile s accompagne d une très légère diminution de la perméabilité mesurée, sans que l existence d un lien entre ces 2 propriétés puisse être définitivement affirmé. Pour ces propriétés de transport, la représentativité des éprouvettes de laboratoire semble être assurée, avec des écarts de l ordre de 10% au maximum par rapport aux éprouvettes carottées. La campagne expérimentale conduite s est également attachée aux variabilités spatiales des propriétés mécaniques en compression simple et en traction par fendage. La résistance mécanique en compression des carottes en partie supérieure du chevêtre expérimentale est ainsi légèrement supérieure à celle mesurée en partie basse, alors que cette tendance est inexistante pour les carottes issues du voile expérimental. En revanche, le module d Young et le coefficient de Poisson ont une sensibilité plus grande à cette localisation des éprouvettes. Les éprouvettes moulées de laboratoire restent néanmoins représentatives de ces caractéristiques mécaniques, avec des écarts négligeables entre carottes et éprouvettes moulées pour la résistance à la compression et le coefficient de Poisson, et un peu plus marqués pour le module d Young. La dépendance des résistances mécaniques à la dimension des échantillons a en outre pu être confirmée à partir des résultats en traction par fendage. Les résultats décrits dans ce livrable, et obtenus sur les éprouvettes carottées des chantiers A1 et A2 permettant l étude des variabilités spatiales, sont complémentaires des études réalisées dans le livrable L1-4/1 s attachant aux variabilités statistiques des propriétés de transport et mécaniques. Ainsi, une partie des sources de variabilités inhérentes à une caractérisation de tels matériaux cimentaires dans des ouvrages du génie civil ont pu faire l objet d une analyse détaillée, aboutissant à une meilleure quantification de la dispersion des résultats. La modélisation numérique de la Livrable L1-4/2 Page 20

22 durabilité de tels matériaux ou ouvrages, en prenant cet aspect «variabilité» en compte, permettra alors une approche probabiliste de leur comportement sous sollicitations complexes (physiques, chimiques, mécaniques), ainsi que leur évolution au cours de leur durée de vie. Livrable L1-4/2 Page 21