Changements de dimension

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1 Changements de dimension

2 Le béton est soumis à des changements de dimension. Les causes principales de ces changements sont: - CHARGE MÉCANIQUE FLUAGE - VARIATIONS D HUMIDITÉ / SECHAGE - VARIATIONS DE TEMPERATURE En général, ces effets interagissent Ces changements dimensionnels sont à l origine de la fissuration

3 Fluage Comportement sous une charge constante

4 Principe du fluage dans les bétons σ ε el ε fluage ε t 0 t 1 ε él = σ/e 1 ε fluage ε él.différée = fluage réversible ε fluage irrév. ε él ε él.différée 0,4 ε él ε el = σ/e 0 ε t 0 charge t 1 décharge ε fluage irréversible t

5 Pourquoi tenir compte du fluage? Le fluage peut provoquer des déformations considérables des ouvrages (2 à 3 fois la déformation instantanée en 3 ans). Il est la cause principale de perte de précontrainte dans les éléments structuraux (relaxation). Il est à l origine de l atténuation des contraintes maximales (relaxation) d où l économie de matière.

6 Fluage des bétons - définitions Fluage: Déformation à contrainte constante Relaxation: Diminution de contrainte à déformation constante (restraint) Fluage de base (basic creep): Sans échange d eau avec l environnement (sans séchage)

7 Fluage des bétons - mécanisme L origine du fluage est dans la pâte de ciment. Le mécanisme exact n est pas connu Le rôle de l'eau est très important On pense que l'eau "lubrifie" les contacts entre les hydrates

8 Fluage : importance de l âge à la mise en charge J( tt, ') = ε ( tt, ') σ 0 : fonction fluage = déformation par unité de charge de charge t ' σ 0 : l âge à la mise en charge : charge constante

9 Fluage à long terme

10 Fluage - observations importantes : La partie instantanée dépend de l âge à la mise en charge: vieillissement; La vitesse de fluage diminue avec le temps; Le fluage de base n est pas asymptotique, il est illimité; Dans la pratique on prend une asymptote fictive, ex: après 1 ou 3ans

11 Fluage spécifique Pour la gamme de contrainte normale d utilisation - <~0,4Rc La relation entre la déformation en fluage (ε fl ) et la contrainte relative (σ /f c ) est presque linéaire Pour comparer le comportement des bétons: Fluage spécifique (specific creep) - c c ε fl = Valeur typique 150 x 10 σ -6 / MPa

12 Coefficient de fluage Fluage spécifique σ σ σ ε él +ε fl = + c. σ= (1+ E.c) = (1 +ϕ ) =ε él(1 +ϕ) E E E Coefficient de fluage ε ϕ= ε fl él

13 Valeurs typiques du coefficient de fluage Age lors de l application de la charge «ϕ» coefficient de fluage final à l air humide à l air sec 7 jours 2,8 3,5 14 jours 2,4 3,0 28 jours 2,0 2,5 90 jours 1,5 2,0 ϕ 28j = 0,4 ϕ ϕ 90j = 0,6 ϕ ϕ 365j = 0,8 ϕ

14 Fluage des bétons : effet du E/C Coefficient de fluage E/C

15 Fluage des bétons : effet de la température

16 Variations dimensionnelles dues à l humidité

17 Influence de l humidité : retrait de dessication / séchage Gonflement hydraulique eau t 1 t 2 t air Retrait hydraulique Retrait de dessication

18 Influence de l humidité : origine du retrait de séchage séchage 95% RH Le retrait de séchage est dû aux forces de ménisque dans les pores capillaires P = 2σcos r α

19 R pk = ρ l M RT ( 2 σ( T) cosβ) 1 Ln( HR) 0.1 µm 99 % RH

20 Example Portland mortar w/c= storage: Dry conditions: 50% RH, 20 C conditions Wet conditions: Under water, 20 C Cycles: one week 50% RH, 50 C / one week 90% RH, 20 C 0 Age (days) Vd (µm/m) Dry conditions Wet conditions Cycles

21 Influence de l humidité : retrait de séchage La quantité de retrait qui peut se produire dans un béton de ciment Portland normal peut s étendre jusqu à 0,8 %0 (800 microstrain or strain) (en moyenne ~0,5 %0 ). Cela dépend de: Conditions de séchage Humidité relative Température Vitesse du vent Taille du spécimen Les spécimens plus grands ont un retrait plus lent Cure d hydratation avant séchage Proportions du mélange de béton Un béton bien hydraté a moins de retrait Eau Volume des Granulats E/C

22 Retrait de séchage : influence de la taille Drying time (days) Le béton ne sèche pas uniformément, l eau s évapore d abord à la surface. Le retrait de la surface est empêché par le béton du cœur et il en résulte des tractions à la surface cracks

23 Retrait de séchage : influence de la taille

24 Retrait de séchage : influence des contraintes Les changements de volume sans restrictions ne provoqueraient pas de rupture!

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26 Retrait de séchage : influence des contraintes

27 Fissure de retrait dans une plaque de béton

28 Contrôle du retrait de séchage La quantité d eau joue un rôle très important au niveau du retrait. La réduction de la quantité d eau totale par adjonction de produits chimiques (ex. réducteurs d eaux ou superfluidifiants) ou par le choix d une courbe granulométrique appropriée permet de réduire de manière significative le retrait de séchage. L utilisation de granulats bien arrondis avec une gamme granulométrique étendue au maximum permet de réduire la teneur en eau. Retrait (microstrain) Contenu d eau (kg/m 3 )

29 Autogeneous Shrinkage Retrait Endogene

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33 Variations dimensionnelles dues à la température

34 Influence de l humidité : origine du retrait de séchage séchage 95% RH Le retrait de séchage est dû aux forces de ménisque dans les pores capillaires P = 2σcos r α

35 Influence de la température L hydratation du ciment génère de la chaleur Le béton (comme la plupart des matériaux) gonfle quand la température augmente et diminue en volume quand elle diminue. Les effets de température peuvent poser problème dans les structures massives(au cœur desquelles les hausses de température sont significatives). Les régions proches de la surface; refroidissent plus vite, sont soumises au retrait qui est empêché par le cœur, et par conséquent sont vulnérables à la fissuration.

36 Influence de la température

37 Influence de la température - exemple Coefficient thermique d expansion, α = 10-5 par C T(dû à l hydratation) = 15 C E = 20 GPa ε = α T = 1.5 x 10-4 σ = Eε = 3 MPa > R t Grace à la relaxation, la contrainte est un peu plus faible. Dans la pratique, on essaie de limiter le T à 20 C max

38 Influence de la température Il y a plusieurs façons de réduire le gradient thermique: Réduction de la fraction de ciment dans le béton Utilisation de pouzzolanes ou de fillers Réduction de la quantité de béton mis en place Réduction de la température du béton frais (ex. eau glacé) Installation de tubes de refroidissement de masses Isolation du coffrage (réduction du gradient des grands éléments) Coffrages en métal (évacuation de la chaleur pour les petits éléments) Utilisation d un ciment à basse chaleur d hydratation

39 Influence de la température Elevation de température typique des bétons et ciments Ciment rapide, finesse Ciment standard Ciments lente Finesse C 3 S / C 3 A C 2 S

40 VARIATIONS DIMENSIONNELLES : Interaction des effets de séchage, de fluage et de température

41 La relaxation peut limiter les effets de retrait Contrainte Prédiction de la fissuration sans relaxation Contrainte élastique de retrait empêchée Relaxation des contraintes Résistance en traction du béton Contrainte élastique après relaxation Délai de fissuration temps

42 L effet combiné du retrait et du fluage est plus grand que la somme des deux séparés La charge du fluage peut accélérer le séchage; donc le retrait. Les contraintes induites par le séchage comme charges supplémentaires peuvent accélérer le fluage. A distinguer : fluage total fluage de base

43 Interaction des effets de séchage, du fluage et de la température RACCOURCISSEMENT ALLONG. MISE EN CHARGE (COMPRESSION) ε RETRAIT ε INSTANTANE ε FLUAGE temps Courbe théorique si la température et l humidité relative restent constantes Courbe réele à cause des variations de température et d hygromètrie

44 Limitation des variations dimentionnelles : la maturation (cure) des bétons

45 Importance de conservation Pour le même état d hydratation les échantillons secs ont une résistance plus élevée que les échantillons humides Résistance à la compression, MPa Tout le temps en chambre humide: L âge, jours A l air après: 28 jours 14 jours 7 jours 3 jours 0 jours

46 Les effets d une cure adequate sur le beton durci Fissuration précoce éliminée Gain en résistance accéléré Résistance à l usure grandement améliorée Durabilité grandement améliorée Étanchéité à l eau grandement améliorée

47 Recommendations pour la maturation - exemples En suisse Spécifiée dans le cahier des charges par l ingénieur responsable Décoffrage ~ 24 hr + ~3-7 jours en conservation humide Normes canadiennes Cure de base : 3 jours >10 C ou R > 35% R 28jours Cure additionnelle pour expositions F-1, C-1, C-2, S-1, S-2 : cure de base + 4jours >10 C ou R > 70% R 28jours

48 Méthodes de cure des bétons Mise sous eau ou arrosage continu Natte ou bâche continuellement humide Sable humide ou paille Produits de cure commercial Papier hydrofuge ou film plastique Étuvage avec vapeur d eau (en préfabrication) Maintien du coffrage en place Autres méthodes approuvées par le maître de l ouvrage

54 Méthodes de cure des bétons Mise sous eau ou arrosage continu Natte ou bâche continuellement humide Sable humide ou paille Produits de cure commercial Papier hydrofuge ou film plastique Étuvage avec vapeur d eau (en préfabrication) Maintien du coffrage en place Autres méthodes approuvées par le maître de l ouvrage Curing Temperature ( o C)