Etude expérimentale des propriétés thermophysiques de matrices cimentaires au très jeune âge

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Huguette Fradette
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1 Etude expérimentle des propriétés thermophysiques de mtrices cimentires u très jeune âge Pierre Mounng, Philippe Poullin, Guy Bstin et Abdelhfid Khelidj GeM, Institut de Recherche en Génie Civil et Mécnique Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 1

ouvrges en béton Diminution de l durbilité de l ouvrge Diffusions ionique et gzeuse

2 Comportement du béton u jeune âge Vritions volumiques importntes : Déformtion d origine thermique Retrit endogène Retrit de dessicction Fluge Fissurtion précoce des ouvrges en béton Diminution de l durbilité de l ouvrge Diffusions ionique et gzeuse ccélérées Corrosion des rmtures Crbonttion Attques sulftiques Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 2

L fissurtion d origine thermique Elévtion thermique

et thermoctivées thermo Hydrttion Augmenttion de

internes Coffrge Grdient thermique Béton u jeune

3 L fissurtion d origine thermique Elévtion thermique du béton u cours de s prise Réctions exothermiques et thermoctivées thermo Hydrttion Augmenttion de tempérture Microfissures superficielles Contrintes internes Coffrge Grdient thermique Béton u jeune âge Chleur d'hydrttion Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 3

4 Les prmètres du couplge thermo Clcul du chmp de degré d hydrttion α α( t, T ) t 1 = Q d' où P( t, T ) = Q Q( t, T ) t (Ulm & Coussy, 1998) 1 = Q P( t, T ) ~ E A( t) exp RT Clcul du chmp de tempérture T T ρc p =.( λ T ) + P( t, T ) t Eqution du couplge ρc P T t = ( λ T ) + Q ~ A( t) exp E RT 5 prmètres : λ, ρc P, Ã, E, Q Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 4

5 Mesure des crctéristiques physico-s Energie d ctivtion pprente E E ( t) = dα dα R ln ln dt T dt ref 1 1 T( t) T Méthode d essis ref T Affinité Ã d E A ~ ( t) = α exp dt RT V Degré d hydrttion α( t) = V chim chim ( t) ( ) Pesée hydrosttique % &'( )* + "#$ %!,- )- Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 5

6 Mesure des propriétés thermophysiques Conductivité thermique pprente λ Méthodes trnsitoires : Cpcité clorifique ρc P Rpidité des mesures (3-1 minutes) Fible perturbtion de l échntillon Principe de mesure : Perturbtion thermique de courte durée Mesure de tempérture du mtériu Détermintion de λ et de ρc P Expressions nlytiques (propriétés uniformes) Anlyse inverse (propriétés non uniformes) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 6

7 Mesure des propriétés thermophysiques Deux périodes à distinguer,&+ ( Le très jeune âge : 24h Le jeune âge : 24h à quelques jours. (. & /+!, 1 2!(3 * ( (! *,&+,&.+ Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 7

8 Mesure des propriétés thermophysiques Entre et 24h d hydrttion : Méthode des «fils chuffé et non chuffé» 4 5 5,& ,&+,& ,&+ 1 & 3/+ Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 8

9 V chim (mm 3 /g) Résultts expérimentux : degré d hyd. α, E, Ã Retrit (Mounng et l., 24) CEM I, E/C=.25 Age (h) 4 C, 5 C 3 C 2 C 1 C α( t) = V V chim chim ( t) ( ) ( V chim ( ) : Bentz et l., 25 ; Holt, 24) Energie d ctivtion pprente 4 E/C= Affinité E/C=.25 E (kj mol -1 ) C 2-4 C 2-5 C Mturité (h) Ã/Ã mx (-) C 2-4 C 2-5 C Mturité (h) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 9

10 λ (W m -1 K -1 ) Résultts expérimentux : λ, ρc P E/C=.25 2 C 3 C 4 C Mturité (h) Conductivité thermique λ (W m -1 K -1 ) E/C=.4 CEM I, E/C=.25 CEM I, E/C=.4 2 C 3 C 4 C Mturité (h) ρc P (J m -3 K -1 ) CEM I, E/C=.25 E/C=.25 Cpcité clorifique 2 C 3 C 4 C ρc P (J m -3 K -1 ) CEM I, E/C=.4 E/C=.4 2 C 3 C 4 C Mturité (h) Mturité (h) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 1

11 Anlyse des résultts expérimentux Nouvelle ppliction de l mesure de l Contrction Le Chtelier u très jeune âge (détermintion de E et Ã) Influence significtive de l tempérture T sur l ffinité du ciment Ã Fible dépendnce de λ et de ρc P vis-à-vis de l tempérture T et du rpport E/C Perspectives expérimentles : étudier l influence d jouts minérux et orgniques sur ces prmètres Bse de données pour l simultion du comportement u jeune âge des mtrices cimentires Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 11

12 des chmps de T(x,y,t) et de α(x,y,t) Objectif Quntifier l influence des prmètres thermophysiques et physico-s sur les évolutions de T et α Modèle thermo mcroscopique - défini en 2D - bsé sur le principe des différences finies - implémenté dns Mtlb Orgnigrmme ρ C P T t Prmètres d entrée T(x,) ; α(x,) ; dimensions et b = ( λ T ) + P( x, y, t dt) α( x, y, t) ~ E = A( α( x, y, t)) exp t R T( x, y, t) λ ; ρc P ; E ; Q ; Ã(t) Dosge en ciment t = Clcul du chmp de tempérture à l instnt t Clcul du chmp de degré d hydrttion α P( x, y, t) = Q t t = t + dt Clcul de l puissnce clorifique dissipée Chmp de degré d hydrttion Chmp de tempérture Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 12

13 des chmps de T(x,y,t) et de α(x,y,t) Hypothèses du modèle Conditions endogènes, Avncement globl et uniforme des réctions d hydrttion, Effet purement cinétique de l tempérture, E, λ et ρc P constnts, Ã = f(α(t)), Ryonnement et convection négligés Jeu de prmètres considéré T(x,) 2 C 4 Fonction d ffinité α(x,) = b = L 317 J mol -1 E λ moy.87 W m -1 K -1 ρc Pmoy 2.56*1 6 J m -3 K -1 V 68.4 mm 3 g -1 chim ( ) Q 47 J g -1 Dosge en ciment.5%.25 m 1393 kg m -3 Affinité Ã (s -1 ) Résultts expérimentux Ã(α)= Aα B (1-α) C vec A= B= 1.15 C= Degré d'hydrttion (-) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 13

14 Résultts des simultions Degré d'hydrttion (%) Degré d hydrttion : comprison de modèles MICRO/MACRO Modèle «micro» : CEMHYD 3D Conditions isothermes : 2 C Ciment type CEM I E/C=.25 Modèle thermo CEMHYD3D Age (heures) Degré d'hydrttion (%) E/C=.4 Modèle thermo CEMHYD3D Age (heures) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 14

15 Résultts des simultions Degré d hydrttion : sensibilité vis-à-vis des prmètres thermiques Degré d'hydrttion (-) b Clcul vec λ moy, λ moy + 1%, λ moy 1% x=l/4 Lmbd Lmbd -1% Lmbd +1% Temps (h) Degré d'hydrttion (-) Clcul vec ρc Pmoy, ρc Pmoy + 1%, ρc Pmoy 1% b x=l/2 Lmbd Lmbd -1% Lmbd +1% Temps (h).5.5 Degré d'hydrttion (-) b x=l/4 RhoCp RhoCp -1% RhoCp +1% Temps (h) Degré d'hydrttion (-) b x=l/2 RhoCp RhoCp -1% RhoCp +1% Temps (h) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 15

16 Tempérture ( C) Résultts des simultions Chmp de tempérture : sensibilité vis-à-vis des prmètres thermiques b x=l/ Temps (h) Clcul vec λ moy, λ moy + 1%, λ moy 1% Lmbd Lmbd -1% Lmbd +1% Tempérture ( C) b x=l/2 Lmbd Lmbd -1% Lmbd +1% Temps (h) Tempérture ( C) b x=l/4 RhoCp RhoCp -1% RhoCp +1% Temps (h) Clcul vec ρc Pmoy, ρc Pmoy + 1%, ρc Pmoy 1% Tempérture ( C) b x=l/2 RhoCp RhoCp -1% RhoCp +1% Temps (h) Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 16

17 Mesure de l évolution des crctéristiques de trnsfert thermiques des mtrices cimentires u très jeune âge Modélistion du couplge thermo et étude de l sensibilité de ce couplge vis-à-vis des propriétés thermiques du mtériu Perspectives Améliortion du modèle : prise en compte de l évolution temporelle des propriétés du mtériu Etude des spects mécniques : influence des vleurs des prmètres sur l distribution du chmp de contrintes d origine thermique et physico- Trnsfert 26, Lille, 1-2 février 26 17

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