Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP).

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1 Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP). H. Samouh 1, E. Rozière 1, A. Loukili 1 1 Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM), UMR-CNRS 6183, Centrale Nantes, France. [email protected], Emmanuel.Roziè[email protected], [email protected] RÉSUMÉ. Le retour d expérience des constructions en béton autoplaçant (BAP) montre que le retrait de dessiccation est l un des paramètres majeurs responsables de leur fissuration. En effet, leur composition avec un volume de pâte supérieur à celui des bétons ordinaires induit un retrait plus grand et augmente leur sensibilité à la fissuration. Cette étude a pour objectif de rationaliser l étude expérimentale et l exploitation des mesures de retrait, en étudiant l influence de la formulation, et la dépendance des résultats à la taille et la forme des éprouvettes. Ainsi, trois BAP et un béton vibré sont étudiés, avec différentes tailles d éprouvettes. Les résultats montrent que la classification des bétons est différente non seulement selon les conditions expérimentales, mais aussi selon le temps de mesure du retrait. Une démarche scientifique est proposée dans cette étude pour résoudre ce problème. ABSTRACT. The drying shrinkage represents one of the major parameters responsible for the cracking of self-consolidating concrete (SCC). The composition of these concretes with a high volume of paste leads to a higher shrinkage and increases their sensibility of cracking. This study aims at rationalizing the experimental study and the exploitation of the measurements, by studying the influence of the formulation of the SCC, as well as the influence of two experimental parameters, the size and the shape of specimens. So, three SCC and a vibrated concrete are studied, with various sizes of specimens. The results show that the classification of concretes depends not only on the experimental conditions, but also on the time when the shrinkage is measured. A scientific approach is proposed in this study to solve this problem. MOTS-CLÉS : Béton autoplaçant, retrait, séchage. KEY WORDS: Self consolidating concrete, shrinkage, drying.

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Introduction Le retrait des BAP est parfois considéré supérieur à celui des bétons classiques, à cause du volume de pâte et de la quantité de ciment élevés [ROZ 7]. Cependant les nouvelles générations des BAP avec moins de ciment et plus d additions rendent cette classification inappropriée, d où la nécessité d une compréhension plus avancée du phénomène. Les progrès technologiques ont rendu la mesure du retrait plus facile et plus répandue, cependant le traitement des données brutes et l analyse des résultats pose problème. En effet, l absence de recommandations rend difficile l exploitation des données existantes, à cause de la durée des essais et de la diversité des modes opératoires, en particulier des caractéristiques géométriques des éprouvettes. Dans cette étude nous allons nous intéresser à ce dernier point, et essayer de mettre en évidence l importance du choix des éprouvettes - taille et forme géométrique. La plupart des modèles de calcul du retrait prennent ce phénomène en compte en définissant un paramètre de taille, que nous appellerons dans cet article le rayon de séchage [1] [ALM 87]. Pour des conditions de séchage bidimensionnel, cette définition correspond au rayon moyen proposé par l Eurocode [Eur 2]. v : Volume de l éprouvette. s : Surface de l éprouvette exposée au séchage. 2 [1] Ce paramètre considère que le rayon de séchage est indépendant de la forme de l éprouvette. En effet plusieurs formes peuvent correspondre au même rayon de séchage. La plupart des études se basent sur la mesure du retrait et donnent des comparaisons obtenues à un âge donné alors que la cinétique du retrait peut rendre cette mesure trompeuse. Ainsi cette étude a pour objectif de démontrer que pour différentes familles de bétons, la classification par rapport au retrait changera selon la durée de mesure, et selon la taille des éprouvettes utilisées. Nous proposerons aussi une méthode d exploitation des données de retrait. 2. Programme expérimental Notre programme porte sur un béton vibré et trois bétons autoplaçants dont les compositions sont rassemblées dans Tableau 1.Le BAPR est le béton référence de cette étude. La formulation du BAPN se base sur ce BAP, en minimisant la quantité du ciment, et en la substituant par du filler calcaire, pour atteindre une quantité de liant équivalent de 28 kg/m 3. La définition du liant équivalent est donnée par la norme NF EN 26-1[2], [AFN 4]. Le BAPG est identique au BAPR, les graviers calcaires du Boulonnais sont remplacés par des graviers de diorite de Gourraud,

3 Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP). 3 tandis que le béton vibré (BV) est composé des mêmes matériaux que le BAPG sans addition. C : quantité de ciment kg/m 3 é. [2] A : quantité d addition calcaire répondant à l équation [6] en kg/m 3 k : coefficient de prise en compte des additions selon la norme NF EN 26-1, (k=,25 pour les additions calcaires, en classe d exposition XF1) A / (A+C) <.25 [3] kg/m3 BAPR BAPN BAPG BV Gravier Boulonnais 4/ Gravier Gourraud 1/ Gravier Gourraud 6/ Sable marin / Ciment CEM I 52,5 N Filler calcaire Superplastifiant 3,8 3,8 3,6 - E eff A L eq V G /V S,9,9,9 1,1 A/A+C,25,25,25 - E/C,59,74,59,6 E/L eq,55,68,55,6 f c28 (Mpa) 49,6 32,6 48, 49,1 E 28j (Gpa) Retrait endogène à 5 mois (µm/m) 38, ,6 73 4,5 Tableau 1. Formulation des BAP et du BV , Nous utilisons pour chaque famille de BAP trois éprouvettes de tailles différentes : Ø7x28cm², Ø11x22cm², Ø16x32cm². Nous ajoutons une éprouvette 12

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin prismatique de taille : 7x7x28cm 3 (Figure 1), avec le même rayon de séchage que l éprouvette Ø7x28 cm² pour le béton vibré, dans le but de mettre en évidence l influence de la forme des éprouvettes sur le retrait de dessiccation. Figure 1. Tailles et formes des éprouvettes Trois éprouvettes sont nécessaires pour chaque béton : mesure du retrait total, du retrait endogène, et de la perte de masse. Les éprouvettes séchant sont couvertes d un double film d aluminium aux deux extrémités, afin de garantir un séchage bidimensionnel, tandis que pour la mesure du retrait d auto-dessiccation l éprouvette est totalement couverte par deux couches du même film adhésif, de telle manière à éviter tout échange d humidité. Les mesures se font dans une salle régulée à 2 C et 5 % d humidité relative. Le calcul du retrait de dessiccation est calculé comme étant la différence du retrait total et du retrait endogène malgré les couplages entre les deux phénomènes [BAR 1] mesurés grâce à des capteurs LVDT. Des essais complémentaires sont menés en parallèle, à savoir la perte de masse, la résistance à la compression et à la traction, la mesure du module d Young dynamique, et enfin la mesure du retrait empêché par l essai à l anneau. 3. Résultats et discussion: Les résultats obtenus pour les différents bétons et rayons de séchage sont représentés sur la Figure 2. On note que le retrait endogène d une même famille de béton reste inchangé par rapport à la taille des éprouvettes utilisées (Tableau 1). Nous remarquons aussi que le retrait de dessiccation à un instant donné est fonction décroissante du rayon de séchage (Figure 2). Avec ces mesures il est impossible de classer les différentes familles de béton, à cause d une part de la cinétique de retrait qui change selon la composition du béton, et d autre part de la variation des valeurs de retrait avec la taille d éprouvette utilisée (Figure 3). La cinétique de séchage semble étroitement liée au rayon de séchage (Figure 4).

5 Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP). 5 Retrait de dessiccation (µm/m) x28 11x22 16x Temps de séchage (j) Figure 2. Retrait de dessiccation des différentes éprouvettes du BAPN 5 Retrait à 3 mois (µm/m) BAP R BAP G BAP N BV Rayon de séchage (cm) Figure 3. Retrait de dessiccation à 3mois-rayon de séchage Retrait de dessiccation (µm/m) x28 11x22 16x t/ro ( (j)/cm) Figure 4 Retrait de dessiccation en fonction de la racine du temps sur le rayon de séchage du BAPN

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin La nécessité d une démarche rationnelle permettant la classification de bétons s impose. Parmi les modèles disponibles dans la littérature, on peut citer le modèle de l Eurocode [EUR 2], ou celui de Hansen [ALM 89]. Leur principe est semblable, puisqu ils proposent de décrire le retrait par le produit de deux fonctions, la première prend en compte la cinétique du retrait, tandis que la deuxième décrit son amplitude. Le modèle de Hansen propose une équation du retrait de dessiccation avec des paramètres ayant un sens physique [4]. [4] N s : Temps nécessaire pour que le retrait de dessiccation atteigne la moitié de sa valeur finale. ε : Retrait de dessiccation final calculé. La détermination des paramètres de cette équation à partir des courbes expérimentales permet de comparer les bétons soit par rapport à leurs retraits finaux, soit par rapport à leurs cinétiques. L Eurocode 2 propose une valeur de la cinétique qui ne dépend que du rayon de séchage [5], et une relation pour le retrait final [EUR 2]. Les résultats obtenus sont rassemblés dans la Figure 6 et la Figure 6. L Eurocode prévoit un retrait plus rapide que les expériences, sans tenir compte de la nature des bétons. L Eurocode sous-estime le retrait à long terme, ceci est certainement dû à la nature du modèle qui ne prend en compte que la résistance à la compression..4 [5]., [6] k h : Coefficient dépendant du rayon moyen (Pour cette étude k h =1). ε cd, : Valeur nominale du retrait de dessiccation non gêné. Ns (j) Ns-BAPG Ns-BAPR Ns-BAPN Ns-BV Ns-prisme Ns-EC Ro² (cm²) Figure 5. Cinétique Ns en fonction du rayon de séchage au carré.

7 Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP). 7 D après l estimation des paramètres N s et ε à partir des données expérimentales de sept mois, le retrait à long terme des différentes éprouvettes semble faiblement dépendant du rayon de séchage comme le montre la Figure 7. Des études antérieures montrent qu on peut négliger cette dépendance [ALM 87], [HAN 87], contrairement à la cinétique, où le paramètre Ns représente une courbe croissante linéaire en fonction du rayon de séchage au carré. La pente de cette courbe dépend de la nature des granulats (BAPR et BAPG), et de la formulation (BAPG et BV). ε (µm/m) Ro (cm) Figure 6. Retrait final ε en fonction du rayon de séchage. Retrait (µm/m) BAPG BAPR BAPN BV Prisme EC2 BAPN EC2 BAPG EC2 BAPR EC2 BV BAP N 7x28 BAP N 11x22 BAP N 16x32 Han 7x28 Han 11x22 Han 16x Temps de séchage (j) Figure 7. Comparaison entre le retrait de dessiccation mesuré du BAPN et calculé par le modèle de Hansen en fonction du temps. La Figure 8 du retrait en fonction de la perte de masse permet de distinguer trois phases. Les trois éprouvettes ont atteint la dernière phase à savoir la phase de stabilisation où le retrait dépasse 8% de sa valeur finale. Il y a peu de différences significatives au niveau des retraits finaux des quatre compositions de béton (Figure 6). La cinétique rapide du BAPR et du BAPN les rend a priori plus susceptibles de fissurer, mais leurs propriétés mécaniques et viscoélastiques influencent également leur comportement vis à vis de la fissuration.

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Les essais mécaniques montrent que la résistance à la compression ne varie pas d un béton à l autre sauf pour le BAPN (Figure 9), ceci est dû au rapport E eff / Liant équivalent élevé de cette composition (Tableau 1). Le module d élasticité est différent d un BAP à l autre, puisqu on observe une différence entre le BAPR et le BAPG, qui peut être expliquée par la nature des granulats de diorite de Gourraud plus rigide que le calcaire du Boulonnais. L influence du rapport E eff /L éq est visible sur le module d élasticité du BAPN plus faible que celui du BAPR (Tableau 1). Figure 8. Retrait de dessiccation en fonction de la perte de masse du BAPN Les données en notre possession ne nous permettent pas de nous prononcer sur la susceptibilité des bétons à fissurer. En effet, la faible résistance à la compression et à la traction du BAPN (Tableau 2) et ses valeurs de retrait plus élevées laissent penser que ce dernier est le plus sensible, tandis que son module élastique laisse prévoir une tendance contraire puisque ce BAP est moins rigide que les autres. L essai de retrait empêché permet de combiner les deux phénomènes pour évaluer relativement les sensibilités à la fissuration [AKH 4]. L essai utilisé ici est l essai à l anneau, et les résultats obtenus sont présentés dans la Figure 1 ([TUR6]). 6, 5, 4, fc (MPa) 3, 2, 1,, BAPR BAPN BV BAPG 1 Age (j) 2 3 Figure 9. Résistance en compression des différents bétons en fonction du temps.

9 Interprétation des mesures du retrait de dessiccation des bétons autoplaçants (BAP). 9 Au cours de cet essai, les bétons BAPN et BV n ont pas fissuré. Pour interpréter le comportement du béton BAPN, on peut se référer à son retrait endogène et à son module d élasticité plus faibles. La relaxation joue également un rôle important car dans les deux cas (BAPN et BV) : la contrainte diminue sans fissure visible. L influence de la nature des granulats n est pas significative ici, car le BAPR et le BAPG fissurent quasiment au même âge, mais le niveau maximal de contrainte semble lié au module d Young, qui dépend lui-même de la nature des granulats (Tableau 1). Ces résultats restent encourageants car le béton dont le coût économique et l impact environnemental sont les plus faibles, à savoir le BAPN, semble avoir le meilleur comportement vis-à-vis la fissuration due au retrait empêché. BAP ft 24 (MPa) ft 48 (MPa) ft 28j (MPa) BAPG BAPR BAPN Tableau 2. Résistance à la traction des BAP à 24h et à 48h Contrainte de traction (MPa) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Figure 1. Contraintes de traction évaluées d après l essai à l anneau 4. Conclusion : Fissurations BAP G BAP R, 5, 1, 15, 2, 25, 3, Age (j) Cette étude présente une méthode d analyse du retrait de dessiccation, en le caractérisant par deux paramètres : le retrait final et la cinétique du retrait. Nous avons pu analyser l influence de la taille des éprouvettes sur la cinétique du retrait de dessiccation, elle dépend linéairement du rayon de séchage au carré, tandis que l influence de ce dernier sur le retrait final reste négligeable. Les mesures du retrait sont poursuivies afin de confirmer ces résultats Le seul essai concernant la forme de l éprouvette a montré que le paramètre rayon de séchage était suffisant pour prendre BV

10 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin en compte la cinétique du retrait, tandis qu une différence apparaît pour le retrait final. Des essais complémentaires et de répétabilité sont nécessaires pour tirer des conclusions sur l effet de la forme. La formulation joue ici un rôle plus important sur les caractéristiques mécaniques des bétons que sur le retrait de dessiccation. Le remplacement du ciment par du filler calcaire diminue la résistance du BAPN, et son module d élasticité. Le remplacement par des granulats plus rigides augmente de manière significative le module des bétons sans affecter sa résistance à la compression. Le module d Young des bétons intervient clairement dans la sensibilité à la fissuration. Ainsi à déformation égale le BAPR et le BAPG subissent des contraintes plus élevées que le BAPN. Malgré leurs résistances plus élevées, ils fissurent. La prise en considération de la totalité des caractéristiques du matériau et de la structure, et non du retrait seul, apparaît nécessaire et ce avant de proposer la composition optimale du béton vis-àvis la fissuration. 5. Bibliographie [AFN 4] AFNOR. NF EN 26-1, CONCRETE PART 1: Specification, performance, production and conformity; APRIL 24. [AKH 4] AKHTER B. HOSSAIN, JAISON WEISS, Assessing residual stress development and stress relaxation in restrained concrete ring specimens: Cement & Concrete Composites, 26 (24) [ALM 87] J.A.ALMUDAIHEEM AND W.HANSEN, Effect of specimen size and shape on drying shrinkage of concrete: ACI Materials Journal, MARCH-APRIL 1987, [ALM 89] J.A.ALMUDAIHEEM AND W.HANSEN, Prediction of concrete drying shrinkage from short-term: ACI Materials Journal, JULY-AUGUST 1989, [BAR 1] V. BAROGHEL-BOUNY AND J. GODIN, Experimental study on drying shrinkage of ordinary and high-performance cementitious materials: Concrete Science and Engineering, VOL. 3, MARCH 21, PP [EUR 2] EUROCODE 2, 22. Design of Concrete Structures. [HAN 87] W.HANSEN AND J.A.ALMUDAIHEEM, Ultimate drying shrinkage of concreteinfluence of major parameters: ACI Materials Journal, MAY-JUNE 1987, [ROZ 7] E.ROZIERE, S.GRANGER, PH. TURCRY, A.LOUKILI, Influence of paste volume on shrinkage cracking and fracture properties of self-compacting concrete: Cement and Concrete Composites, Volume29, Issue 8, September 27, Pages [TUR 6] P.TURCY, A. LOUKILI, K.HAIDAR, G.PIJAUDIER-CABOT, A.BELARBI, Cracking tendency of self-compacting concrete subjected to restrained shrinkage: Experimental study and modeling: ASCE, journal of materials in civil engineering, 18(1), 46-54