Comportement au jeune âge de bétons formulés à base de ciment au laitier de haut fourneau en condition de déformations libre et restreinte

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1 Faculté des Sciences Appliquées Service BATir Service Matières et Matériaux Comportement au jeune âge de bétons formulés à base de ciment au laitier de haut fourneau en condition de déformations libre et restreinte Aveline Darquennes Thèse effectuée sous la direction des Professeurs Bernard ESPION et Marie-Paule DELPLANCKE et présentée en vue de l obtention du titre de docteur en sciences de l Ingénieur Année académique

2 Soutenue le 19 novembre 2009 à 15h00 En vue de l obtention du grade académique de Docteur en Sciences de l Ingénieur Devant le jury composé de : Président du Jury : Prof. Jean-Claude Verbrugge Membres du Jury : Prof. Luc Courard Université de Liège Prof. Ahmed Loukili Ecole Centrale de Nantes Prof. Stéphanie Staquet Directeurs de la thèse : Prof. Bernard Espion Prof. Marie-Paule Delplancke

3 Remerciements Ce travail a été réalisé sous la direction des Professeurs Bernard Espion et Marie-Paule Delplancke. Qu il me soit permis par la présente de leur exprimer mes remerciements pour les conseils et le soutien qu ils m ont prodigués tout au long de ce travail. Je tiens également à remercier le Professeur Stéphanie Staquet pour ces conseils judicieux et les nombreuses discussions que nous avons eues sur les diverses problématiques expérimentales. J adresse également mes vifs remerciements à l équipe du CRIC qui m a apporté son soutien tant sur le plan matériel que personnel tout au long de ma campagne expérimentale. Je souhaiterais remercier Nele De Belie, Professeur à l Université de Gand, pour m avoir permis de réaliser mes premiers essais de suivi de la prise à l aide du dispositif FreshCon. Mes remerciements vont également à Monsieur Gilles Vanhooren et Monsieur Olivier Leclerq, techniciens au Service BATir, qui m ont permis de réaliser les différents dispositifs expérimentaux présentés dans ce travail ; ainsi qu à Monsieur Patricio Madau, technicien au Service Matières et Matériaux, qui m a prodigué de nombreux conseils sur les méthodes d analyse de la microstructure des matériaux cimentaires. Mes remerciements s adressent également au Fonds pour la Recherche dans l Industrie et l Agriculture qui a financé une partie de cette recherche. Je remercie chaleureusement ma famille, ainsi que Sana, Srdan, Nicolas, Pascal, Sonia, Cédric, Polyka et Barbara, pour leur soutien permanent au cours de ces quatre années. Finalement, un grand merci à toutes les personnes qui d une manière ou d une autre m ont apporté leur aide et leurs conseils pour mener à bien ce travail.

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5 Résumé A l heure actuelle où la préservation de notre environnement est primordiale, les constructions en béton font intervenir de plus en plus des ciments comprenant des ajouts minéraux, tels que le laitier, les cendres volantes En effet, la production des ciments composés permet de réduire le dégagement des gaz à effets de serre et de réutiliser des déchets industriels. Les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau (CEM III) sont également largement utilisés suite à leur bonne résistance aux réactions alcali-silices, à la diffusion des chlorures et aux attaques sulfatiques Cependant, certains ouvrages construits avec ce type matériau ont présenté au jeune âge des problèmes de fissuration liés à la restriction de leurs déformations différées, telles que le retrait endogène, thermique et de dessiccation. Suite à cette observation, des essais préliminaires ont été réalisés au laboratoire du service BATir de l. Ils ont mis en avant plusieurs caractéristiques du comportement de ces matériaux : 1. Lors du suivi du retrait restreint à l aide de l essai à l anneau en condition de dessiccation, le béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau a fissuré bien avant le béton formulé à base de ciment Portland. 2. Le retrait total en condition libre du béton formulé à base de ciment au laitier de hautfourneau est nettement supérieur à celui du béton formulé à base de ciment Portland. Cette différence de comportement est principalement due à l accroissement rapide et plus élevé du retrait endogène des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau. Au vu de ces résultats expérimentaux, il a semblé intéressant de déterminer quel était l impact de la déformation endogène des bétons formulés à base de ciments au laitier de haut-fourneau (CEM III) sur leur sensibilité à la fissuration. Afin de répondre à cette question, les déformations différées (retrait endogène, fluage propre en compression et en traction) au jeune âge de trois compositions de béton avec différentes teneurs en laitier (0, 42 et 71%) ont été étudiées expérimentalement en conditions libre et restreinte. Cependant, le suivi du retrait endogène libre et restreint a nécessité le développement de plusieurs dispositifs expérimentaux limitant au maximum les artefacts de mesure, tels que la TSTM (Temperature Stress Testing Machine). De plus, l interprétation de ces résultats expérimentaux a également nécessité une caractérisation du comportement de ces matériaux à l échelle macro- et microscopique. Finalement, cette étude a montré que malgré une déformation endogène plus élevée, les bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau fissurent après le béton formulé à base de ciment Portland. Ce comportement est dû à : -l impact du laitier sur la réaction d hydratation du matériau cimentaire ; -la présence d une expansion de la matrice cimentaire des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau au jeune âge qui retarde l apparition des contraintes de traction au sein du matériau ; -la plus grande capacité de ces matériaux cimentaires à relaxer les contraintes de traction Mots-Clés : Ciment au laitier de haut-fourneau, comportement au jeune âge, fissuration, fluage propre en traction, relaxation, retrait endogène, TSTM.

6 Abstract Today, the use of concretes with mineral additions (fly ash, slag) for civil engineering structures is spreading worldwide. Indeed, the production of blended cements is more respectful of the environment than the production of Portland cement, because it allows reducing greenhouse gas emissions and using industrial wastes. Slag cement concretes are also largely used for their good resistance to alkali-silica reactions, sulphate attacks and chloride diffusion. However, some of constructions built with slag cement concretes have exhibited cracking at early age due to their restrained deformations, such as thermal, autogenous and drying shrinkage. Following these observations, a preliminary experimental study was realized in the laboratory of BATir Department at ULB. It revealed several characteristics of the behaviour of slag cement concretes: 1. The study of restrained deformations under drying conditions by means of ring tests showed that the slag cement concretes seem more prone to crack than the Portland cement concretes; 2. The total free shrinkage for slag cement concrete is clearly larger than for Portland cement concrete. This difference of behaviour is mainly due to the fast and large increase in the autogenous deformation of the slag cement concrete. Following these experimental results, the effect of the autogenous deformation on the cracking sensibility of slag cement concretes seemed interesting to investigate. Their deformations (autogenous deformation, compressive and tensile basic creep) have been studied at early age for three concretes characterized by different slag contents (0, 42 and 71%) under free and restrained conditions. For monitoring free and restrained autogenous deformations, several test rigs aimed at limiting artefacts were designed, like the TSTM (Temperature Stress Testing Machine). Moreover, the behaviour of these concretes was also characterized by a study at a macro- and microstructure scale. Finally, this study shows that the slag cement concretes under sealed and fully restrained conditions crack later than the Portland cement concrete, despite the fact that they are characterized by the largest autogenous deformation. This behaviour is due to: - the slag effect on the hydration reaction of cementitious material; - the cement matrix expansion of the slag cement concretes at early age which delays the occurrence of tensile stresses inside the material; - the largest capacity of this concrete to relax tensile stresses. Key-words: Slag cement concrete, behaviour at early age, cracking, tensile basic creep, autogenous deformation, TSTM.