LABORATOIRE. ÉPROUVETTES EN BÉTON Leurs essais

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1 LABORATOIRE ÉPROUVETTES EN BÉTON Leurs essais Auteur : Hervé BEINISH Deux des caractéristiques principales d'un béton sont la résistance à la compression et la résistance à la traction. Pour déterminer ces résistances, on confectionne des éprouvettes (Fiche 365) qui seront ensuite soumises à des essais. Selon les essais pratiqués, on obtient la résistance du béton : A la compression A la traction - directe - par flexion - par fendage. La présente fiche décrit les essais cités ci-dessus et fait un état des relations pouvant exister entre la forme et la taille des éprouvettes pour l'essai de résistance en compression. ESSAI DE COMPRESSION SELON NF P Cet essai permet de déterminer la résistance à la compression du béton de l'éprouvette. Principe de l'essai L'éprouvette cylindrique ou cubique est soumise à une charge croissante jusqu'à la rupture. La résistance à la compression est le rapport entre la charge de rupture et la section transversale de l'éprouvette. Appareillage Machine d'essai de compression conforme aux normes NF P et NF P classe C* Dispositif pour rectifier les extrémités des éprouvettes. Balance (erreur relative < 0,1 %) pour détermination de la masse de l'éprouvette et éventuellement de sa masse volumique. Si le temps d'attente entre le moment où les éprouvettes sont sorties de la salle (ou du bac) de conservation et l'exécution de l'essai dépasse 1 h, des précautions sont à prendre contre la dessiccation. Rectification des extrémités des éprouvettes cylindriques selon P (surfaçage au soufre des éprouvettes cylindriques) et P (boîte à sable pour essai de compression des éprouvettes cylindriques) Cette rectification consiste à rendre les surfaces planes et perpendiculaires aux génératrices de l'éprouvette. Divers moyens utilisés pour la rectification des éprouvettes Mortiers de soufre de type A utilisés pour les éprouvettes de résistance inférieure à 60 MPa Le mortier de soufre est constitué (en masse) de : 60 % ± 5 % de fleur de soufre, 40 % ± 5 % de sable siliceux de granularité : 0,125/0,315 mm. Mortiers de soufre de type B utilisés pour les éprouvettes de résistance inférieure ou égale à 100 MPa Le mortier de soufre est constitué d'un mélange de soufre et d'additifs de granularité ^ 0,315 mm. La résistance du mortier de soufre sera _ 55 MPa (cette valeur a été jugée suffisante par les normalisateurs compte tenu du fait que le mortier de sufaçage est confiné entre le plateau de la machine d essais et l éprouvette de béton). Meule diamantée : sans limite de résistance Il est préférable que le diamètre de la meule soit supérieur au diamètre de l'éprouvette à rectifier. Boîte à sable : sans limite de résistance Matériels nécessaire : sable siliceux de granularité 0,125/0,315 mm, deux boîtes cylindriques en acier, de la paraffine et un bâti de positionnement. * Le projet de norme européenne pren en cours d élaboration prévoit une classe 3 (justesse ^ 4 %, fidélité ^ 2%) ce qui est plus exigeant que l actuelle classe C française (justesse ^ 3 %, fidélité ^ 1,5 %). BP ÉPERNON CEDEX - FRANCE - Tél Fax Fiche 366 Avril

2 Principe de surfaçage au mortier de soufre Le mélange est porté à une température de 120 à 140 C. A cette température, le mélange est liquide. Toutefois, il est nécessaire de l'homogénéiser régulièrement car le sable étant plus lourd, il a tendance à se déposer au fond du récipient. Nota - Ne jamais laisser le niveau baisser de façon importante ; il y aurait risque de dégagement de vapeurs sulfureuses et même d inflammation. Lesextrémitésfacedarasementet fonddemoulenesontniplanes niperpendiculairesauxgénératrices Guidespourle maintienvertical deléprouvette Lesfacessontplanes etperpendiculaires auxgénératrices Repère concernant lasurface darasement Mélange àbase desoufre liquéfié Platine dontle fondcreux esthorizontal etrectifié aéprouvette nonsurfacée bsurfaçageausoufre caprèsrefroidissementdu soufreléprouvetteestprête pourlessaidecompression Figure 1 Précautions Lubrifier légèrement la platine afin de faciliter le démoulage. Prélever en une seule fois la quantité voulue et la verser de façon uniforme sur la platine. Laisser descendre l'éprouvette lentement en se servant du dispositif de guidage vertical. Ne pas lâcher l éprouvette, pour éviter tout risque de projection. Réaliser ces opérations rapidement car le soufre liquide, versé dans le récipient métallique, a tendance à se solidifier rapidement. L'épaisseur de la couche de surfaçage devra être comprise entre 2 et 4 mm. Après refroidissement, l'éprouvette est désolidarisée du gabarit de surfaçage. On procède ensuite au surfaçage de la 2 e face. Afin de s'assurer que le soufre a bien adhéré sur la totalité des faces, on frappe celles-ci en différents points avec des doigts repliés. Si cela ne sonne pas «creux», c'est que le surfaçage a été correctement réalisé. Dans le cas contraire, briser la couche de surfaçage avec un marteau et recommencer l opération de surfaçage. Un délai minimal de 30 min doit être respecté avant de procéder aux essais de compression. Mode opératoire L'éprouvette est placée sur la machine d'essai avec une erreur de positionnement inférieure à 1 % de son diamètre. Pour s'affranchir de mesures fastidieuses, il est préférable d'utiliser un gabarit de centrage. Température ( C) q état pâteux q état liquide q état pâteux Plateaux de la machine d'essai Éprouvette cylindrique surfaçée au soufre Guide de centrage 20 état solide Comportement du mélange à base de soufre en fonction de la température Mise en place de l'éprouvette 240

3 La vitesse de chargement doit être constante et égale à 0,5 MPa/s ± 0,2 MPa/s soit un accroissement de la force de 10 kn/s ± 4 kn/s pour une éprouvette ó 16 n 32 cm. P1 P P1 P1 = Charge en cours d'essai P P = Charge à la rupture Figure 3 La résistance f c (MPa) est déduite de la formule ci-après : f c = 10 P S P : charge maximale atteinte (kn) S : section de l'éprouvette (cm 2 ) Voir page suivante différents schémas de ruptures d éprouvettes 241

4 Ruptures correctes d'éprouvettes cylindriques Quelques ruptures incorrectes d'éprouvettes cylindriques Figure 4 242

5 ESSAI DE TRACTION DIRECTE Cet essai permet de déterminer la résistance à la traction directe du béton de l'éprouvette. Principe de l'essai L'éprouvette cylindrique ou prismatique est soumise à une charge croissante jusqu'à la rupture. La résistance à la traction directe est le rapport entre la charge de rupture et la section transversale de l'éprouvette. Appareillage Machine d'essai de traction. Plaques et contreplaques pour le dispositif de traction. Colle (par exemple à base de résine époxyde). Mode opératoire Fixée par collage, une plaque sur chacune des faces sollicitées de l'éprouvette. Utiliser une contreplaque munie de rotule pour exercer l'effort de traction sur l'éprouvette. Placer l'éprouvette sur la machine de traction en veillant particulièrement au centrage (une erreur de centrage supérieure au 1/100 de la dimension transversale de l'éprouvette peut provoquer une modification de la résistance). La vitesse de chargement doit être constante et égale à 0,05 MPa/s ± 0,01 MPa/s. La résistance f t (MPa) est déduite de la formule ci-après : 10 P f t = S P: charge maximale atteinte (kn) S: section de l'éprouvette (cm 2 ) Le résultat sera pris en compte uniquement si la rupture se produit en dehors du plan du collage. Nota - Cet essai n'est actuellement utilisé que dans les laboratoires de recherche. Son exécution nécessite beaucoup de soin. ESSAI DE FLEXION SELON NF P Cet essai permet de déterminer la résistance en flexion du béton de l'éprouvette. Principe de l'essai L'éprouvette prismatique est soumise à un moment de flexion par application d'une charge au moyen de rouleaux supérieurs et inférieurs. La charge maximale atteinte est enregistrée et la résistance à la flexion calculée. Éprouvette F Appareillage Machine d'essais, de force appropriée, conforme aux normes NF P et NF P , classe C*. Dispositif de chargement équipé de 2 rouleaux d'appui et de 2 rouleaux supérieurs reposant sur un support articulé pour la transmission de la charge. Les rouleaux ou fraction de rouleaux sont en acier et ont un rayon de 20 mm. Balance (erreur relative < 0,1 %) pour la détermination de la masse volumique de l'éprouvette. Si le temps d'attente entre le moment où les éprouvettes sont sorties de la salle de conservation (ou du bac) et l'exécution de l'essai dépasse 1 h, des précautions sont à prendre contre la dessiccation. Dispositif de bridage Figure 5 Mode opératoire Placer l'éprouvette dans l'appareil de chargement en prenant comme faces de chargement ses faces de moulage (la face d'arasement ne doit pas être en contact avec les rouleaux). Le positionnement doit être effectué à 1 mm prés. * Le projet de norme européenne pren en cours d élaboration prévoit une classe

6 La vitesse de chargement doit être constante et égale à 0,05 MPa/s ± 0,01 MPa/s. Face d'arasement Prisme (cm) Lorsque la portée l entre appuis est égale à 3a, la résistance f f (MPa) est déduite de la formule ci-après : 6M Fl f f = avec M = soit f f = bh 2 6 F : charge maximale (kn) a : arête de la base (cm) M : moment fléchissant maximum Accroissement de la force (kn/s) 10 0, , ,670 d F 1/2 d l 3 a L 3,5 a F 1/2 30 F a 2 Nota - Comme la rupture se produit en phase plastique et non élastique, il y a lieu de pondérer ce résultat par un coefficient égal à 0,6 pour obtenir la résistance à la traction pure : f T = f f n 0,6 d Rouleau de chargement (rotatif, inclinable) a 1 Figure 6 - Dispositif de chargement (charge en 2 points) a 2 Rouleau d'appui (rotatif, inclinable) Un effort de compression est appliqué le long de deux génératrices opposées. Cet effort induit des contraintes de traction dans le plan passant par ces deux génératrices. Le calcul permet de définir la contrainte de traction correspondant à cette rupture. Appareillage Machine d'essai de compression conforme aux normes NF P et NF P , classe C*. Bandes de chargement en contreplaqué, à usage unique (épaisseur = 4 ± 1 mm ; largeur = 0,09 ± 0,01 n diamètre ; longueur = au moins celle de l'éprouvette). Nota - Les éprouvettes confectionnées dans des moules en carton sont à proscrire pour cet essai car la rectitude des arêtes n'est pas assurée. Balance (erreur relative < 0,1 %) pour la détermination de la masse volumique de l'éprouvette. Si le temps d'attente entre le moment où les éprouvettes sont sorties de la salle de conservation (ou du bac) et l'exécution de l'essai dépasse 1 h, des précautions sont à prendre contre la dessiccation. Mode opératoire Placer l'éprouvette et les bandes de chargement entre les plateaux de la machine d'essai à l'aide du gabarit de centrage. Le positionnement de l'éprouvette est assuré à 0,5 mm près. La vitesse de chargement doit être constante et égale à 0,05 MPa/s ± 0,01 MPa/s soit un accroissement de la force de 4,01 kn/s ± 0,80 kn/s pour une éprouvette ó 16 x 32 cm. Bande de contreplaqué b = (0,09 ± 0,01) d (4 ± 1) mm F Cette valeur f T est du même ordre de grandeur que celle obtenue à l'essai de fendage. d ESSAI DE FENDAGE SELON NF P Cet essai permet de déterminer la résistance au fendage du béton de l'éprouvette. Figure 7 F Principe de l'essai L'essai est généralement réalisé sur des éprouvettes cylindriques. * Le projet de norme européenne pren en cours d élaboration prévoit une classe

7 La résistance f t (MPa) est déduite de la formule ci-après : 20 F F f t = soit f t = 6,37 d.h d.h F : charge maximale (kn) d : diamètre de l'éprouvette (cm) h : hauteur de l'éprouvette (cm) Influence de la dimension et de la forme des éprouvettes sur la résistance en compression Selon ENV 206-1:2000 (Béton - Partie 1 : Spécification, performance, production et conformité) Équivalence des résistances obtenues sur cylindres ó 150 n 300 mm et sur cubes 150 n 150 mm à 28 jours. Pour les bétons de masse volumique normale et les bétons lourds Cylindres ó 150 n 300 mm Cubes 150 n 150 mm Pour les bétons légers Cylindres ó 150 n 300 mm Cubes 150 n 150 mm Selon le règlement technique des structures et ossatures CSTBat (1997) Équivalence des résistances obtenues sur cylindres ó 160 n 320 mm et sur différentes dimensions de cubes Cubes Rapport résistance cylindre/cube (mm) à la détension à 28 jours 100 n 100 0,83 0, n 141 0,87 0, n 150 0,875 0, n 158 0,88 0, n 200 0,90 0,95 Selon une proposition de l ISO (mentionnée dans le nouveau guide du béton) Ci-après coefficients cyl reliant les résistances trouvées sur des éprouvettes cylindriques d élancement 2 au cylindre ó 160 n 320 mm pris comme référence. f c = cyl f c (160/320) f c : résistance à la compression équivalente Cylindre (mm) 110/ / / / / /800 cyl 1,02 1,00 0,97 0,95 0,91 0,85 245

8 Ci-après coefficients cube reliant les résistances trouvées sur des cubes de différentes dimensions au cube de 140 mm pris comme référence. f c = cube f c (140) f c : résistance à la compression équivalente Cube (mm) cube 1,10 1,00 0,95 0,92 0,90 Relation expérimentale liant les résistances à la compression obtenues sur cubes et sur cylindres selon des informations mentionnées dans l ouvrage Nouveau guide du béton - DREUX-FESTA - 8 e édition. 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 f c cyl. f c cubes Principales modifications envisagées dans les projets de normes européennes relatives aux essais des éprouvettes pren Essais pour béton durci - partie 3 : Résistance à la compression des éprouvettes - utilisation d'une machine d'essai classe 3 ; - les éprouvettes dont les dimensions ou la forme ne sont pas conformes aux tolérances prescrites dans le pren doivent être éliminées ou rectifiées (en cours de discussion) ; - vitesse de chargement entre : 0,2 MPa/s et 1,0 MPa/s tolérance sur la valeur retenue = ± 1 % 0,65 0,60 Variation du rapport cylindres f c cylindres fc cubes f c cyl. en MPa en fonction de f c Nota - Le coefficient habituellement utilisé f c cylindres = 0,83 fc cubes est valable pour les bétons dont la résistance est comprise entre 20 et 30 MPa. Dans ce cas, c'est l'élancement de l'éprouvette qui est prépondérant, l'influence de la taille de l'éprouvette devient secondaire. pren Essais pour béton durci - partie 5 : Résistance à la flexion des éprouvettes - utilisation d'une machine d'essai classe 3 ; - possibilité d'utiliser un dispositif de chargement centré (une étude a montré que les résistances ainsi obtenues étaient de 13 % plus élevées que les éprouvettes testées avec un dispositif en 4 points) ; - rouleaux en acier, de section circulaire avec diamètre compris entre 20 et 40 mm ; leur largeur doit être au moins de 10 mm supérieure à la largeur de l'éprouvette. pr EN Essais pour béton durci - partie 6 : Résistance en traction par fendage d'éprouvettes - utilisation d'une machine d'essai classe 3 ; - bandes de chargement en matériau dur avec une masse volumique > 900 kg/m 3 ; largeur = 10 ± 1 mm ; épaisseur = 4 ± 1 mm. 246

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