Université de Nantes ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L INGENIEUR, GEOLOGIE ET ARCHITECTURE Année 2008 N B.U. : Thèse de Doctorat Spécialité : Génie Civil Présentée et soutenue publiquement par : ARNAUD PERTUÉ Le 1 er Décembre 2008 à l IUT de Saint Nazaire TITRE ETUDE EXPERIMENTALE DU RETRAIT ENDOGENE, DU FLUAGE PROPRE ET DE LA FISSURATION DES MATRICES CIMENTAIRES AUX JEUNE ET TRES JEUNE AGES JURY Président: M. Jean Pierre Ollivier Professeur émérité, INSA Toulouse Rapporteurs : M. Sofiane Amziane Professeur, Université de Clermont-Ferrand M. Christophe Lanos Professeur, IUT de Rennes Examinateurs : M. Zoubeir Lafhaj Professeur, Ecole Centrale de Lille M. Abdelhafid Khelidj Professeur, Université de Nantes M. Pierre Mounanga Maître de Conférences, Université de Nantes Invité : M. Philippe Gegout Directeur du Pôle Ingénierie Matériaux, Bouygues TP Directeur de thèse : Abdelhafid Khelidj Co-encadrant : Pierre Mounanga Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, GeM UMR CNRS 6183, Saint Nazaire N ED 498-18
Remerciements REMERCIEMENTS Ce travail a été réalisé à l Institut de Recherche en Génie-Civil et Mécanique (GeM, UMR CNRS 6183). Je tiens à remercier tout particulièrement : Professeur Abdelhafid KHELIDJ pour avoir dirigé ce travail de thèse et de m avoir donné l occasion de réaliser cette thèse dans de bonnes conditions ; Pierre MOUNANGA pour son encadrement, pour avoir partagé ses connaissances sur le sujet et également pour son soutien ; Professeur Jean Pierre OLLIVIER, pour avoir présidé mon jury. Professeur Christophe LANOS et Professeur Sofiane AMZIANE, d avoir accepté de rapporter ce mémoire de thèse. Professeur Zoubeir LAFADJ et M. Philippe GEGOUT d avoir accepté de faire partie de mon jury. Je remercie également toute l équipe «Interactions Eau-Géomatériaux» et le laboratoire GeM plus particulièrement : - Pierre THOMAS pour ses encouragements, - Maryse, Yveline et Mirianne pour le traitement des taches administratives, - Denis pour la réalisation et son assistance sur les dispositifs expérimentaux, - Michèle pour son aide à la préparation de cette soutenance, pour son soutien et sa bonne humeur durant cette dernière année de thèse, - René pour son assistance informatique, - Mes collègues doctorants : Quoc-Duy, Amor, Pierre Louis, Yacine, Vanessa, - Marta, pour ses conseils et son soutien précieux durant cette dernière année de thèse et également sa bonne humeur. Je tiens à remercier tout le personnel de l IUT ainsi que le département Génie Civil avec Bernard Haurat, chef de département, et Didier Hennetier pour m avoir intégré dans l équipe enseignante durant le monitorat et en tant qu ATER. Je remercie également tout les enseignants, en activité ou non, pour leurs encouragements et leur soutien. Je tiens également à remercier tous les étudiants qui m ont eu en tant qu enseignant. Je voudrais également remercier pour finir mes amis, ma famille, mes parents et ma petite sœur pour leurs soutiens et leurs encouragements. -i-
Résumé RESUME La fissuration précoce des ouvrages en béton résulte en grande partie des variations dimensionnelles du matériau liées à son évolution thermique, hydrique, chimique et microstructurale au jeune âge. L empêchement partiel ou total de ces déformations peut générer un champ de contraintes de traction suffisamment élevées pour provoquer la fissuration de la matrice cimentaire en cours de durcissement. Les mécanismes moteurs à l origine de ces déformations séchage, exothermie des réactions d hydratation, contraction Le Chatelier et autodessiccation sont aujourd hui bien identifiés et divers modèles sont proposés pour simuler l effet de chacun de ces mécanismes sur l évolution dimensionnelle du matériau. Cependant, de nombreuses questions demeurent sur les interactions entre ces différents types de déformations : en effet, en conditions réelles d exploitation de l ouvrage, ces déformations se développent simultanément et peuvent avoir des effets cumulatifs ou opposés sur l évolution dimensionnelle des matrices cimentaires. Un travail expérimental s avère alors nécessaire afin de mieux comprendre et quantifier la contribution de chaque phénomène et de chaque paramètre dans le risque de fissuration précoce. Au cours de nos travaux de thèse, nous avons étudié les variations dimensionnelles endogènes de la phase réactive du béton, i.e. la pâte de ciment. La première partie de ce travail de thèse a consisté à développer des dispositifs de mesure des déformations en conditions empêchées et sous chargement, adaptés au comportement durcissant et exothermique des matériaux cimentaires aux jeune et très jeune âges. Le premier dispositif mis au point est inspiré de l essai à l anneau de fissuration et a permis la mesure de l âge de fissuration des pâtes de ciment soumises à différents niveaux de contraintes. Un second prototype expérimental, inspiré du dispositif mis au point par Kovler, a été développé afin de mesurer le fluage des pâtes de ciment chargées en traction. Chacun de ces dispositifs a été muni d un système de régulation permettant de contrôler et d imposer différents historiques thermiques aux matériaux étudiés. La deuxième partie de ce travail a été consacrée à l analyse croisée des résultats d une étude expérimentale multi-variable. Cette étude a permis de mesurer l effet de différents paramètres de composition et de conservation sur le risque de fissuration précoce des pâtes de ciment. Elle a été complétée par des essais de prise Vicat, de retrait libre, de résistance à la compression et à la traction et de module d Young. Les résultats ont démontré la -iii-
Résumé thermoactivation du processus de fissuration au jeune âge des matrices cimentaires et la plus grande sensibilité du ciment aux laitiers à ce risque de fissuration. La troisième partie est dédiée à une étude de la thermoactivation des processus étudiés (prise, durcissement, retrait, fluage et fissuration) afin d évaluer la pertinence du concept traditionnel de maturité pour la prévision de la cinétique de ces phénomènes et de l âge de la fissuration précoce des matrices cimentaires. Mots-clés : Retrait empêché, fluage en traction, fissuration endogène, hydratation, pâte de ciment, température, jeune âge, énergie d activation, maturité, expérimental. -iv-
Abstract ABSTRACT The premature cracking of Civil Engineering concrete structures results from dimensional variations of cement-based materials due to thermal, hydrous, chemical and micro-structural evolutions at early age. The total or partial restrained shrinkage causes the development of tensile stress in the material. As soon as they become higher than the material tensile strength, the cracking appears in the cement-based material. Nowadays, the shrinkage mechanisms drying, exothermy of hydration reactions, Le Chatelier s contraction and selfdesiccation are identified and some models are proposed to predict the effect of each mechanism on the dimensional evolution of the material. However, numerous questions are asked about the interactions between these different types of strains. Indeed, in the real condition, these strains develop simultaneously and can have a cumulative or opposite effect on the dimensional evolution of cement-based materials. Experimental work is necessary to understand and to quantify the contribution of each phenomenon and each parameter to the risk of premature cracking. During this thesis, we have studied the autogenous dimensional variations of the cement-based materials. The first part of this research work has consisted in developing devices for the measurement of strain in the restrained conditions and under loading, especially adapted to the hardening and exothermic behavior of cement-based materials at early and very early age. The first device realised is inspired by the cracking ring test and permits the measure of cracking age of cement pastes submitted to different stress levels. A second experimental prototype, inspired by Kovler s device, was developed to measure the tensile creep of cement pastes. Each device was equipped with regulation system allowing to control and to impose different thermal histories on the studied materials. The second part of this work is devoted to the analysis of the results of a multivariable experimental study. This one allowed measuring the effect of the different composition and conservation parameters on the risk of premature cracking of cement pastes. This study is completed by the setting test, the free shrinkage, the compressive and tensile tests and the Young modulus measurement. These results have demonstrated the thermoactivation of the cracking process at early age of cement-based materials and the sensibility of slag cement to this cracking risk. -v-
Abstract The third part concerns the study of the thermoactivation of the studied processes (setting, hardening, creep and cracking) in order to evaluate the validity of traditional maturity concept to predict the kinetic of these phenomenons and the cracking age of cement paste. Keywords: Restrained shrinkage, tensile creep, autogenous cracking, hydration, cement paste, temperature, early age, activation energy, maturity, experimental. -vi-
Sommaire SOMMAIRE LISTE DES FIGURES... iv LISTE DES TABLEAUX... ix INTRODUCTION GENERALE...1 PARTIE 1 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE CHAPITRE 1: LES DEFORMATIONS ENDOGENES DES PÂTES DE CIMENT AU JEUNE AGE : RETRAIT ENDOGENE ET FLUAGE PROPRE...6 1.1. L HYDRATATION ET L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE CIMENTAIRE...8 1.1.1. L évolution de l hydratation...8 1.1.2. L évolution de la structuration...10 1.2. LE RETRAIT ENDOGENE...12 1.2.1. Les notions de volumes apparent et absolu...12 1.2.2. Le retrait endogène en condition libre...13 1.2.2.1 Mécanisme lié à la variation de la dépression capillaire...14 1.2.2.2 Mécanisme lié à la variation de la tension superficielle...15 1.2.2.3 Mécanisme lié à la variation de la pression de disjonction...16 1.2.3. Le retrait endogène empêché...16 1.2.4. Les facteurs influençant l évolution du retrait endogène...17 1.3. LES DEFORMATIONS ENDOGENES SOUS CHARGEMENT : LE FLUAGE PROPRE EN TRACTION...23 1.3.1. Définition et mécanismes...23 1.3.1.1 Définition...23 1.3.1.2 Les mécanismes...24 1.3.2. Les facteurs influençant l évolution du fluage propre...26 1.4. LE CONCEPT DE MATURITE...30 1.4.1. Définition et mécanismes...30 1.4.2. Analyse théorique du concept de maturité...31 1.4.3. Application du principe de maturité...32 1.4.3.1 Retrait endogène...32 1.4.3.2 Fluage propre...33 1.4.4. Valeurs d énergie d activation apparente pour des pâtes de ciment...34 1.5. CONCLUSIONS...35 CHAPITRE 2: LES METHODES DE MESURE DES DEFORMATIONS ENDOGENES EN CONDITIONS EMPECHEES ET SOUS CHARGEMENT AU JEUNE AGE...37 2.1. LES METHODES EXPERIMENTALES POUR LE RETRAIT EMPECHE...38 2.1.1. Les essais linéiques...38 2.1.2. Les essais sur plaques et sur dalles...43 2.1.3. Les essais à l anneau...45 2.1.3.1 Méthodes normalisées...45 2.1.3.2 Travaux réalisés...46 2.1.3.3 Exploitation quantitative des résultats d essai à l anneau...51 2.1.4. Analyse des méthodes expérimentales de retrait empêché...54 2.2. LES METHODES EXPERIMENTALES POUR LE FLUAGE EN TRACTION...55 2.2.1. Les essais de fluage en traction directe...55 2.2.2. Les tests de fluage en traction par retrait empêché...59 2.2.3. Analyse des méthodes expérimentales de fluage propre...60 -vii-
Sommaire PARTIE 2 : PROGRAMME EXPERIMENTAL ET METHODES D'ESSAIS CHAPITRE 3: PLAN EXPERIMENTAL...64 3.1. CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DES CIMENTS UTILISES...65 3.2. PREPARATION DES PATES DE CIMENT ET REALISATION DES EPROUVETTES...66 3.3. CONDITIONS DE CONSERVATION DES EPROUVETTES 4X4X16 CM 3...67 3.4. FACTEURS EXPERIMENTAUX CONSIDERES...68 CHAPITRE 4: LES DISPOSITIFS DE MESURE...71 4.1. DISPOSITIF DE MESURE DU RETRAIT EMPECHE...72 4.1.1. Caractéristiques du dispositif expérimental...72 4.1.2. Protocole expérimental...75 4.1.3. Validation du dispositif...76 4.1.3.1 Précision des mesures...76 4.1.3.2 Vérification des conditions endogènes...76 4.1.3.3 Régulation de la température...76 4.1.3.4 Influence des conditions aux limites de l échantillon...78 4.1.3.5 Répétabilité des essais...79 4.2. MESURE DES DEFORMATIONS DE FLUAGE EN TRACTION...80 4.2.1. Caractéristiques du dispositif expérimental...80 4.2.2. Protocole expérimental...83 4.2.3. Validation du dispositif...83 4.2.3.1 Régulation de la température...83 4.2.3.2 Répétabilité des mesures...84 4.3. DETERMINATION DU TEMPS DE PRISE VICAT...85 4.4. MESURE DES PROPRIETES MECANIQUES...86 4.4.1. Résistance en compression...86 4.4.2. Résistance en traction...86 4.4.3. Module d élasticité dynamique...88 4.5. MESURE DU RETRAIT ENDOGENE LINEIQUE DES PATES DE CIMENT...89 4.5.1. Principe de l essai...89 4.5.2. Protocole expérimental...90 PARTIE 3 : CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE ET MECANIQUE DES PÂTES DE CIMENT AU JEUNE ÂGE CHAPITRE 5: EVOLUTION DE LA STRUCTURATION ET DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES PATES DE CIMENT...94 5.1. CHALEUR D HYDRATATION...95 5.2. PRISE VICAT...97 5.2.1. Influence du rapport Eau/Ciment...95 5.2.2. Influence du type de ciment...98 5.3. RESISTANCE EN COMPRESSION...99 5.3.1. Influence du rapport Eau/Ciment...99 5.3.2. Influence du type de ciment...100 5.3.3. Influence de la température...102 5.4. RESISTANCE EN TRACTION...105 5.5. MODULE D YOUNG...107 5.5.1. Influence du rapport Eau/Ciment...107 5.5.2. Influence du type de ciment...108 5.5.3. Influence de la température...109 5.6. ANALYSE CROISEE...112 5.7. CONCLUSION...116 -viii-
Sommaire CHAPITRE 6: EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE LIBRE ET DE LA DEFORMATION SOUS CHARGEMENT...117 6.1. LE RETRAIT ENDOGENE LIBRE...118 6.1.1. Influence du rapport Eau/Ciment...118 6.1.2. Influence de la température...121 6.1.3. Influence du type de ciment...123 6.2. LE FLUAGE EN TRACTION...126 6.2.1. Chargement des éprouvettes...126 6.2.2. Principe d exploitation des résultats...127 6.2.3. Analyses préliminaires...128 6.2.4. Influence de la température...128 6.3. CONCLUSION...133 6.4. SYNTHESE DE LA TROISIEME PARTIE...136 PARTIE 4 : DEFORMATIONS EMPECHEES DES PÂTES DE CIMENT EN COURS DE DURCISSEMENT CHAPITRE 7: ANALYSE DES RESULTATS D ESSAIS A L ANNEAU DE FISSURATION...138 7.1. ANALYSES PRELIMINAIRES...138 7.2. ANALYSE DES COURBES DE DEFORMATION DE L ANNEAU...140 7.3. INFLUENCE DU RAPPORT EAU/CIMENT...145 7.4. INFLUENCE DU TYPE DE CIMENT...146 7.5. INFLUENCE DE LA TEMPERATURE DE CURE...148 7.5.1. Essai à température quasi-constante...148 7.5.2. Essais à température variable...153 7.6. INFLUENCE DU TYPE D ANNEAU CENTRAL...159 7.7. CONCLUSION...163 CHAPITRE 8: ANALYSE DE L APPLICATION DU PRINCIPE DE MATURITE POUR LA PREDICTION DE L AGE DE LA FISSURE...165 8.1. PRINCIPE DE DETERMINATION DE L ENERGIE D ACTIVATION...166 8.1.1. Essais de Prise Vicat...167 8.1.2. Essais de module d Young...167 8.1.3. Essais de retrait empêché...168 8.1.4. Essais de résistance en compression...170 8.2. APPLICATION DU PRINCIPE DE MATURITE ET DETERMINATION DE L ENERGIE D ACTIVATION E A...171 8.2.1. Les essais de prise Vicat...171 8.2.2. Les essais de module d Young...174 8.2.3. Les essais de résistance en compression...178 8.2.4. Analyse des énergies d activation apparentes obtenues...183 8.2.4.1 Effet du type de ciment...183 8.2.4.2 Effet du rapport E/C...185 8.2.4.3 Effet du type d essai...186 8.3. PREDICTION DE L AGE D APPARITION DE LA FISSURE...187 8.3.1. Détermination de l énergie d activation sous température isotherme...187 8.3.2. Prédiction de l apparition de la fissure sous température réaliste...193 8.4. CONCLUSION...195 CONCLUSIONS GENERALES...197 PERSPECTIVES...203 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...205 -ix-
-x- Sommaire
Liste des figures LISTE DES FIGURES FIGURE 1.1 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE AU COURS DU TEMPS (BARCELO, 2001)...7 FIGURE 1.2 : COURBE CALORIMETRIQUE DE L HYDRATATION D UN CIMENT PORTLAND (GARTNER ET AL, 2002)...9 FIGURE 1.3 : COURBE CALORIMETRIQUE DE L HYDRATATION D UN CIMENT AUX LAITIERS (SHI ET AL, 1995)...10 FIGURE 1.4 : ÉVOLUTION DE LA STRUCTURE EN FONCTION DU TEMPS (CHANVILLARD, 1999)...12 FIGURE 1.5 : VOLUME ABSOLU ET VOLUME APPARENT (GARCIA-BOIVIN, 1999)...13 FIGURE 1.6 : MENISQUE CAPILLAIRE NON SATURE (1 : LIQUIDE ; 2 : GAZ ; 3 : SOLIDE) (GARCIA-BOIVIN, 1999)...14 FIGURE 1.7 : REPRESENTATION GRAPHIQUE DU MECANISME DE TENSION SUPERFICIELLE (BRESSON, 2006)...15 FIGURE 1.8 : REPRESENTATION GRAPHIQUE DU MECANISME DE LA PRESSION DE DISJONCTION (BRESSON, 2006) 16 FIGURE 1.9 : INFLUENCE DU RETRAIT DU FLUAGE SUR LA FISSURE DES MATRICES CIMENTAIRES (WEISS 1999)...17 FIGURE 1.10 : INFLUENCE DE LA TEMPERATURE SUR L EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE POUR LE CEM I (A DROITE) ET POUR LE CEM III (A GAUCHE) (LURA ET AL, 2001)...19 FIGURE 1.11 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU RAPPORT E/C (BAROGHEL-BOUNY ET AL, 2006)...20 FIGURE 1.12 : INFLUENCE DE LA PRESENCE DE LAITIERS SUR L EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE (LURA ET AL, 2001)...22 FIGURE 1.13 : INFLUENCE DU DOSAGE EN LAITIERS SUR L EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE (TAZAWA ET AL, 1995)...22 FIGURE 1.14 : DEFORMATIONS DE FLUAGE SOUS CHARGEMENT σ(t 0 ) A L AGE T 0....24 FIGURE 1.15 : MECANISMES DE MIGRATION DE L'EAU (ULM ET AL 1999)...25 FIGURE 1.16 : PRINCIPE DE GLISSEMENT DES C-S-H (BENBOUDJEMA, 2002)...26 FIGURE 1.17 : EVOLUTION DE LA FONCTION DE FLUAGE A 20 C EN FONCTION DU TAUX ET DES AGES DE CHARGEMENT (GUTSCH ET AL, 1994)....27 FIGURE 1.18 : EVOLUTION DE LA COMPLAISANCE DE FLUAGE (PANE ET AL, 2002) DE PATE DE CIMENT PORTLAND PUR (OPC) ET CONTENANT DES LAITIERS (GGBF)...28 FIGURE 1.19 : EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE FLUAGE A DIFFERENTES TEMPERATURES (UMEHARA ET AL, 1994)...29 FIGURE 1.20 : APPLICATION DU PRINCIPE DE MATURITE SUR LE RETRAIT VOLUMIQUE ENDOGENE (TURCRY ET AL., 2002)...32 FIGURE 1.21 : APPLICATION DU PRINCIPE DE MATURITE SUR LE RETRAIT VOLUMIQUE ENDOGENE (MOUNANGA ET AL., 2006)...33 FIGURE 1.22 : APPLICATION DU PRINCIPE DE MATURITE SUR LE FLUAGE PROPRE EN TRACTION (ATRUSHI, 2003).34 FIGURE 2.1 : DISPOSITIF DE L ESSAI TSTM (SPRINGENSCHMID ET AL, 1994)...39 FIGURE 2.2 : COURBES OBTENUES AVEC LE DISPOSITIF DE KOVLER (KOVLER, 1994) EN CONDITIONS LIBRES (A GAUCHE) ET EMPECHEES (A DROITE) (IGARASHI ET AL., 2000)...39 FIGURE 2.3 : DISPOSITIF DE L ESSAI LINEAIRE UTILISE PAR ALTOUBAT ET AL 2002....40 FIGURE 2.4 : DISPOSITIF DE L ESSAI LINEAIRE UTILISE PAR CHARRON ET AL (CHARRON ET AL, 2001)...40 FIGURE 2.5 : DISPOSITIF DE L ESSAI EN PLAQUE UTILISE PAR BANTHIA ET AL (BANTHIA ET AL, 1994)...44 FIGURE 2.6 : DISPOSITIF DE L ESSAI EN PLAQUE UTILISE PAR TURCRY (TURCRY, 2004)...44 FIGURE 2.7 : DISPOSITIF DE L ESSAI SUR PLAQUE UTILISE PAR WEISS ET AL (WEISS ET AL, 1998) (A GAUCHE : DALLE RETENUE AUX EXTREMITES ; A DROITE : DALLE RETENUE AUX EXTREMITES ET EN PARTIE INFERIEURE)...44 FIGURE 2.8 : DISPOSITIF DE L ESSAI STANDARDISE AASHTO PP34-99...46 FIGURE 2.9 : DISPOSITIF D ANNEAU CENTRAL PLEIN PROPOSE PAR WEISS (WEISS, 1999)...47 FIGURE 2.10 : DISPOSITIF D ESSAI A L ANNEAU AVEC ENTAILLES (BRANCH ET AL, 2002)...49 FIGURE 2.11 : DISPOSITIF D ESSAI EN ELLIPSE (MA ET AL, 2007)...50 FIGURE 2.12 : DISPOSITIF D ESSAI EN CARRE (LOSER ET AL, 2008)...50 FIGURE 2.13 : COURBE TYPIQUE D UN RESULTAT D ESSAI A L ANNEAU...51 FIGURE 2.14 : EPROUVETTE AVEC ENTAILLE SOUMISE AU CHARGEMENT DE TRACTION DIRECTE (CARPINTERI ET AL, 1997)...56 FIGURE 2.15 : DISPOSITIF DEVELOPPE PAR MORIN ET AL (A GAUCHE) ET BANC DE FLUAGE MIS AU POINT PAR REINHARDT ET AL (A DROITE)...57 FIGURE 2.16 : DISPOSITIF DE FLUAGE PAR TRACTION DIRECTE EN CONDITION ENDOGENE ET ISOTHERME (ASTRUSHI, 2003)...57 FIGURE 2.17 : DISPOSITIF DE FLUAGE PAR TRACTION DIRECTE EN FORME D OS (BALUCH ET AL, 2002)...58 FIGURE 2.18 : DISPOSITIF DE FLUAGE PAR RETRAIT EMPECHE PROPOSE PAR KOVLER (KOVLER, 1994)...59 -xi-
Liste des figures FIGURE 2.19 : DISPOSITIF DE FLUAGE PAR RETRAIT EMPECHE PROPOSE PAR D AMBROSIA (D AMBROSIA ET AL, 2004)...59 FIGURE 2.20 : DISPOSITIF DE FLUAGE PAR RETRAIT EMPECHE PROPOSE PAR WEISS (WEISS, 1999)...60 FIGURE 4.1 : BANC D ESSAI D ANNEAU DE FISSURATION...73 FIGURE 4.2 : DISPOSITIF AVEC L ANNEAU DE PATE DE CIMENT...73 FIGURE 4.3 : SCHEMA DE DESSUS DU DISPOSITIF...74 FIGURE 4.4 : SCHEMA EN COUPE DU DISPOSITIF...74 FIGURE 4.5 : FISSURE TRAVERSANTE (A GAUCHE) ET SAUT DANS LA COURBE DE DEFORMATION (A DROITE)...75 FIGURE 4.6 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE AU SEIN DE LA PATE DE CIMENT...77 FIGURE 4.7 : EVOLUTIONS DE LA TEMPERATURE DANS L EPAISSEUR DE L ECHANTILLON AVEC REGULATION THERMIQUE A 25 C...77 FIGURE 4.8 : INFLUENCE DE LA PRESENCE D UN FILM POLYANE A L INTERFACE ENTRE L ECHANTILLON ET LA PLAQUE D ALUMINIUM (E/C=0,4 ; CEM I ; LAITON ; 20 C)...78 FIGURE 4.9 : REPETABILITE DES ESSAIS SUR PATE DE CIMENT CEM I E/C = 0,30 A 40 C AVEC L ANNEAU EN LAITON...79 FIGURE 4.10 : SCHEMA ET DIMENSIONS DE L EPROUVETTE...81 FIGURE 4.11 : SCHEMA DU DISPOSITIF (VUE DE DESSUS)....81 FIGURE 4.12 : PHOTOGRAPHIES DU MOULE METALLIQUE EN POSITION OUVERTE PUIS SCELLEE...81 FIGURE 4.13 : SCHEMA DU BATI DE FLUAGE...82 FIGURE 4.14 : PHOTOGRAPHIE DU BATI DE FLUAGE...82 FIGURE 4.15 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE AU SEIN DE L ECHANTILLON...84 FIGURE 4.16 : REPETABILITE DES ESSAIS A 20 C POUR LE CEM I E/C = 0,30 SOUMIS A UN CHARGEMENT D 1 MPA...84 FIGURE 4.17 : APPAREIL DE PRISE VICAT...85 FIGURE 4.18 : ESSAI DE FLEXION 3 POINTS (A GAUCHE), ESSAI DE COMPRESSION (A DROITE)...86 FIGURE 4.19 : SCHEMA DE PRINCIPE DE L ESSAI...87 FIGURE 4.20 : DIAGRAMME DES CONTRAINTES DANS LA SECTION DE L EPROUVETTE...87 FIGURE 4.21 : ESSAI DE FENDAGE SUR EPROUVETTE 11X 22 CM....88 FIGURE 4.22 : EXCITATION DE L EPROUVETTE EN UTILISANT LE GRINDOSONIC...89 FIGURE 4.23 : PHOTOGRAPHIE DU SYSTEME DE MESURE (BOUASKER, 2007)...90 FIGURE 4.24 : COUPE LONGITUDINALE DE LA MACHETTE EQUIPEE (BOUASKER, 2007)...91 FIGURE 4.25 : VUES DE GAUCHE ET DESSUS DU DISPOSITIF DE MESURE DE RETRAIT ENDOGENE LIBRE (BOUASKER, 2007)...91 FIGURE 5.1 : DISPOSITIF DE MESURE DE TEMPERATURE AU COURS DE LA PRISE...96 FIGURE 5.2 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DES PATES DE CIMENT CEM I...96 FIGURE 5.3 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DES PATES DE CIMENT CEM III...96 FIGURE 5.4 : ECHEANCES DU DEBUT DE PRISE VICAT POUR LE CEM I A E/C=0,30 ET 0,40...97 FIGURE 5.5 : ECHEANCES DE FIN DE PRISE VICAT POUR LE CEM I A E/C=0,30 ET 0,40...97 FIGURE 5.6 : ECHEANCES DU DEBUT DE PRISE VICAT POUR LES PATES DE CIMENT CEM I ET CEM III...98 FIGURE 5.7 : ECHEANCES DE FIN DE PRISE VICAT POUR LES PATES DE CIMENT CEM I ET CEM III...99 FIGURE 5.8 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DES PATES DE CIMENT CEM I A 20 C...100 FIGURE 5.9 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DES PATES DE CIMENT CEM III A 20 C...101 FIGURE 5.10 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DES DEUX PATES DE CIMENT AVEC E/C =0,3 A 20 C...102 FIGURE 5.11 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DES DEUX PATES DE CIMENT AVEC E/C=0,4 A 20 C...102 FIGURE 5.12 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DE LA PATE DE CIMENT CEM I E/C = 0,30 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...103 FIGURE 5.13 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DE LA PATE DE CIMENT CEM I E/C =0,40 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...104 FIGURE 5.14 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DE LA PATE DE CIMENT CEM III E/C =0,30 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...104 FIGURE 5.15 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION DE LA PATE DE CIMENT CEM III E/C =0,40 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...105 FIGURE 5.16 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION A 9 JOURS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...105 FIGURE 5.17 : EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN TRACTION EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LA PATE DE CIMENT CEM III, E/C=0,30...107 FIGURE 5.18 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG DE LA PATE DE CIMENT CEM I A 20 C...108 FIGURE 5.19 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG DE LA PATE DE CIMENT CEM III A 20 C...108 -xii-
Liste des figures FIGURE 5.20 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG DES DEUX PATES DE CIMENT POUR UN E/C =0,30 A 20 C...109 FIGURE 5.21 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG DES DEUX PATES DE CIMENT POUR UN E/C = 0,4 A 20 C...109 FIGURE 5.22 : EVOLUTION DU MODULE D ELASTICITE DE LA PATE DE CIMENT CEM I E/C =0,30 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...110 FIGURE 5.23 : EVOLUTION DU MODULE D ELASTICITE DE LA PATE DE CIMENT CEM I E/C =0,40 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...111 FIGURE 5.24 : EVOLUTION DU MODULE D ELASTICITE DE LA PATE DE CIMENT CEM III E/C =0,30 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...111 FIGURE 5.25 : EVOLUTION DU MODULE D ELASTICITE DE LA PATE DE CIMENT CEM III E/C =0,40 EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE...112 FIGURE 5.26 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG EN FONCTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION POUR LES QUATRE COMPOSITIONS ETUDIEES...114 FIGURE 5.27 : EVOLUTION DU MODULE D YOUNG EN FONCTION DE LA RESISTANCE EN TRACTION POUR LES TROIS COMPOSITIONS ETUDIEES...115 FIGURE 6.1 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU RAPPORT E/C POUR LE CIMENT CEM I A 20 C...120 FIGURE 6.2 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU RAPPORT E/C POUR LE CIMENT CEM I A 30 C...120 FIGURE 6.3 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU RAPPORT E/C POUR LE CIMENT CEM I A 20 C...120 FIGURE 6.4 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU RAPPORT E/C POUR LE CIMENT CEM I A 30 C...121 FIGURE 6.5 : CORRELATION ENTRE L HUMIDITE RELATIVE ET LE RETRAIT ENDOGENE (KHELIDJ ET AL., 1998)..121 FIGURE 6.6 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LE CIMENT CEM I E/C=0,3...122 FIGURE 6.7 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LE CIMENT CEM I E/C=0,4...123 FIGURE 6.8 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LE CIMENT CEM III E/C=0,3...123 FIGURE 6.9 : EVOLUTION DU RETRAIT ENDOGENE EN FONCTION DU TYPE DE CIMENT A T=30 C ET E/C=0,3...125 FIGURE 6.10 : EVOLUTION DU RETRAIT CHIMIQUE EN FONCTION DU TYPE DE CIMENT (BOUASKER, 2007) : PC : PATE DE CIMENT ; 03 ET 04 : RAPPORT E/C ; I, II ET III : TYPES DE CIMENT...125 FIGURE 6.11 : PRINCIPE D EXPLOITATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX...127 FIGURE 6.12 : DEFORMATION DES 2 CAPTEURS POUR LA PATE DE CIMENT CEM I E/C=0,3 A 20 C...129 FIGURE 6.13 : DEFORMATION DES 2 CAPTEURS POUR LA PATE DE CIMENT CEM I E/C=0,3 A 40 C...129 FIGURE 6.14 : PHOTOGRAPHIE DE LA RUPTURE DE L EPROUVETTE AU NIVEAU DU CHANGEMENT DE SECTION...130 FIGURE 6.15 : LOCALISATION DES CONTRAINTES SIMULEES AVEC CASTE3M CHARGE AXEE (A GAUCHE) ET EXCENTREE (A DROITE)...130 FIGURE 6.16 : PROFILS TYPE DES CONTRAINTES DANS L ECHANTILLON...131 FIGURE 6.17 : EVOLUTION DU FLUAGE PROPRE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LA PATE DE CIMENT CEM I E/C=0,3...132 FIGURE 6.18 : EVOLUTION DU FLUAGE PROPRE RECALE A 24 H EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LA PATE DE CIMENT CEM I E/C=0,3...132 FIGURE 6.19 : SCHEMA DE PRINCIPE SUR LE RISQUE DE FISSURATION...135 FIGURE 7.1 INFLUENCE DE LA RELAXATION SUR LE DEVELOPPEMENT DES CONTRAINTES ET SUR L AGE DE LA FISSURE (WEISS, 1999)....139 FIGURE 7.2 EVOLUTION TYPE DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU CENTRAL...140 FIGURE 7.3 PROFIL DE CONTRAINTE AU SEIN DE LA PATE DE CIMENT (MOON ET AL., 2006)....141 FIGURE 7.4 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE INTERNE ET DE LA RESISTANCE EN TRACTION (CEM I E/C = 0,4)..143 FIGURE 7.5 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON POUR LES PATES DE CIMENT CEM I DE RAPPORT E/C = 0,30 ET 0,40 A TEMPERATURE T = 20 C...145 FIGURE 7.6 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON POUR LES PATES DE CIMENT CEM I DE RAPPORTS E/C= 0,30 ET 0,40 A TEMPERATURE T = 40 C...146 FIGURE 7.7 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU POUR LES PATES DE CIMENT CEM I ET CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30 A T=20 C....147 FIGURE 7.8 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU POUR LES PATES DE CIMENT CEM I ET CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 40 C...147 FIGURE 7.9 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I A E/C = 0,30...149 -xiii-
Liste des figures FIGURE 7.10 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I A E/C = 0,40...149 FIGURE 7.11 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LES PATES DE CIMENT CEM III A E/C = 0,30...149 FIGURE 7.12 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I A E/C = 0,30...150 FIGURE 7.13 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN INOX EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I A E/C = 0,40...150 FIGURE 7.14 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN INOX EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE CURE POUR LE CIMENT CEM III A E/C = 0,30...150 FIGURE 7.15 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE INTERNE MAXIMALE ET DE LA RESISTANCE EN TRACTION MINOREE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I E/C = 0,40 AVEC L ANNEAU EN LAITON...151 FIGURE 7.16 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE INTERNE MAXIMALE ET DE LA RESISTANCE EN TRACTION MINOREE POUR LES PATES DE CIMENT CEM III E/C = 0,30 AVEC L ANNEAU EN LAITON...152 FIGURE 7.17 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE MAXIMALE ET DE LA RESISTANCE EN TRACTION MINOREE POUR LES PATES DE CIMENT CEM I E/C = 0,40 AVEC L ANNEAU EN INOX...152 FIGURE 7.18 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE MAXIMALE ET DE LA RESISTANCE EN TRACTION MINOREE POUR LES PATES DE CIMENT CEM III E/C = 0,30 AVEC L ANNEAU EN INOX...152 FIGURE 7.19 EVOLUTION DE LA TEMPERATURE AU COURS D UN ESSAI EN CONDITIONS SEMI-ADIABATIQUES ET RAMPES DE TEMPERATURE IMPOSEES A LA PATE DE CIMENT CEM I E/C = 0,30 AU COURS DES ESSAIS A L ANNEAU DE FISSURATION...153 FIGURE 7.20 EVOLUTION DE LA TEMPERATURE AU COURS D UN ESSAI EN CONDITIONS SEMI-ADIABATIQUES ET RAMPES DE TEMPERATURE IMPOSEES A LA PATE DE CIMENT CEM III E/C = 0,30 AU COURS DES ESSAIS A L ANNEAU DE FISSURATION...153 FIGURE 7.21 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON ET DE LA TEMPERATURE DE L ECHANTILLON CEM I E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 15-30 C...154 FIGURE 7.22 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON ET DE LA TEMPERATURE DE L ECHANTILLON CEM I E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 20-40 C...154 FIGURE 7.23 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON ET DE LA TEMPERATURE DE L ECHANTILLON CEM III E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 15-30 C...155 FIGURE 7.24 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON ET DE LA TEMPERATURE DE L ECHANTILLON CEM III E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 20-40 C...155 FIGURE 7.25 ZOOM SUR L EVOLUTION DE LA DEFORMATION DE L ANNEAU EN LAITON CEM I E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 15-30 C...156 FIGURE 7.26 ZOOM SUR L EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DE L ECHANTILLON CEM I E/C = 0,30 POUR LA RAMPE 15-30 C...156 FIGURE 7.27 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DES TROIS ANNEAUX POUR LA PATE DE CIMENT CEM I DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 40 C...159 FIGURE 7.28 EVOLUTION DE LA DEFORMATION DES TROIS ANNEAUX POUR LA PATE DE CIMENT CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 40 C...159 FIGURE 7.29 EVOLUTION DU DEGRE DE RESTRICTION DES TROIS ANNEAUX POUR LES PATES DE CIMENT CEM I DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 20 C ET 40 C...160 FIGURE 7.30 EVOLUTION DU DEGRE DE RESTRICTION DES TROIS ANNEAUX POUR LES PATES DE CIMENT CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 20 C ET 40 C...162 FIGURE 7.31 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE MAXIMALE AU SEIN DE LA PATE DE CIMENT CEM I DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 40 C POUR LES TROIS ANNEAUX METALLIQUES...162 FIGURE 7.32 EVOLUTION DE LA CONTRAINTE MAXIMALE AU SEIN DE LA PATE DE CIMENT CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30 A T = 30 C POUR LES TROIS ANNEAUX METALLIQUES...163 FIGURE 8.1 : DETERMINATION DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTS PHENOMENES ETUDIES....166 FIGURE 8.2 : DEFORMATION ANNEAU LAITON EN FONCTION DU DEGRE D HYDRATATION POUR LE CEM I E/C=0,3...169 FIGURE 8.3 : DEFORMATION ANNEAU LAITON EN FONCTION DU DEGRE D HYDRATATION POUR LE CEM I E/C=0,4...169 FIGURE 8.4 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE TEMPS DE PRISE DU CEM I E/C=0,3....172 FIGURE 8.5 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE TEMPS DE PRISE DU CEM I E/C=0,4....172 FIGURE 8.6 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE TEMPS DE PRISE DU CEM III E/C=0,3....172 FIGURE 8.7 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE TEMPS DE PRISE DU CEM III E/C=0,4....173 FIGURE 8.8 : TEMPS DE PRISE MESURES EN FONCTION DU TEMPS DE PRISE CALCULES POUR LES 4 COMPOSITIONS...174 -xiv-
Liste des figures FIGURE 8.9 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE MODULE D YOUNG DU CIMENT CEM I E/C=0,3....175 FIGURE 8.10 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE MODULE D YOUNG DU CIMENT CEM I E/C=0,4....175 FIGURE 8.11 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE MODULE D YOUNG DU CIMENT CEM III E/C=0,3....175 FIGURE 8.12 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LE MODULE D YOUNG DU CIMENT CEM III E/C=0,4....176 FIGURE 8.13 : MODULE D YOUNG EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,3....177 FIGURE 8.14 : MODULE D YOUNG EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,4....177 FIGURE 8.15 : MODULE D YOUNG EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM III E/C=0,3....177 FIGURE 8.16 : MODULE D YOUNG EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM III E/C=0,4....178 FIGURE 8.17 : MODULES D YOUNG MESURES EN FONCTION DES MODULES D YOUNG CALCULES POUR LES 4 COMPOSITIONS....178 FIGURE 8.18 : APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LA RESISTANCE EN COMPRESSION DU CIMENT CEM I E/C=0,3....179 FIGURE 8.19 APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LA RESISTANCE EN COMPRESSION DU CIMENT CEM I E/C=0,4....179 FIGURE 8.20 APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LA RESISTANCE EN COMPRESSION DU CIMENT CEM III E/C=0,3....180 FIGURE 8.21 APPLICATION DU CONCEPT DE MATURITE POUR LA RESISTANCE EN COMPRESSION DU CIMENT CEM III E/C=0,4....180 FIGURE 8.22 RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,3....181 FIGURE 8.23 RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,4....181 FIGURE 8.24 RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM III E/C=0,3..182 FIGURE 8.25 RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM III E/C=0,4..182 FIGURE 8.26 RESISTANCES MESUREES EN FONCTION DES RESISTANCES CALCULEES POUR LES 4 COMPOSITIONS. 182 FIGURE 8.27 EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DU TYPE DE CIMENT A 30 C....184 FIGURE 8.28 EVOLUTION DE LA RESISTANCE EN COMPRESSION EN FONCTION DU RAPPORT E/C DU CEM I A 30 C....185 FIGURE 8.29 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM I E/C=0,3, ANNEAU LAITON...188 FIGURE 8.30 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM I E/C=0,4, ANNEAU LAITON...188 FIGURE 8.31 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM III E/C=0,3, ANNEAU LAITON...189 FIGURE 8.32 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM I E/C=0,3, ANNEAU INOX...189 FIGURE 8.33 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM I E/C=0,4, ANNEAU INOX...189 FIGURE 8.34 APPLICATION DE LA LOI D ARRHENIUS POUR LE CEM III E/C=0,3, ANNEAU INOX...190 FIGURE 8.35 CONTRAINTE INTERNE EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,3 ET LES DEUX ANNEAUX....192 FIGURE 8.36 CONTRAINTE INTERNE EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM I E/C=0,4 ET LES DEUX ANNEAUX....192 FIGURE 8.37 CONTRAINTE INTERNE EN FONCTION DE L AGE EQUIVALENT POUR LE CEM III E/C=0,3 ET LES DEUX ANNEAUX....192 FIGURE 8.38 AGES DE FISSURE MESURES EN FONCTION DES AGES DE FISSURE CALCULES POUR LES 3 COMPOSITIONS ET LES 2 ANNEAUX...193 -xv-
-xvi- Liste des figures
Liste des tableaux LISTE DES TABLEAUX TABLEAU 2.1 : RECAPITULATIF DES ESSAIS LINEIQUES...42 TABLEAU 2.2 : RECAPITULATIF DES ESSAIS A L ANNEAU DE FISSURATION...52 TABLEAU 2.3 : RECAPITULATIF DES ESSAIS DE FLUAGE EN TRACTION...61 TABLEAU 3.1 : PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES CIMENTS UTILISES...65 TABLEAU 3.2 : POURCENTAGE DE PERTES DE MASSE DE DIFFERENTES PATES DE CIMENT...67 TABLEAU 3.3 : PLAN EXPERIMENTAL DE L ETUDE...69 TABLEAU 4.1 : CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES ANNEAUX DE RESTRICTION...73 TABLEAU 4.2 : POURCENTAGE D ERREUR SUR L AGE DE FISSURE (PATE DE CIMENT CEM III, E/C = 0,30)...76 TABLEAU 5.1 : CHALEUR D HYDRATATION DU CIMENT (NEVILLE, 2000)...95 TABLEAU 5.2 : TEMPS DE PRISE (H) POUR LES DEUX PATES DE CIMENT ETUDIEES...99 TABLEAU 5.3 : RESISTANCE EN TRACTION (MPA) DES DIFFERENTES PATES DE CIMENT A 24 HEURES A T = 20 C106 TABLEAU 5.4 : VALEURS DES CONSTANTES DE L EQUATION [5.3]...110 TABLEAU 5.5 : VALEURS DES CONSTANTES DE L EQUATION 5.4 EN FONCTION DES ETUDES REALISEES...114 TABLEAU 5.6 : VALEURS DES CONSTANTES DE L EQUATION 5.4 POUR LES COMPOSITIONS ETUDIEES...115 TABLEAU 5.7 : VALEURS DES CONSTANTES DE L EQUATION 5.7 POUR LES COMPOSITIONS ETUDIEES...116 TABLEAU 6.1 : RESISTANCE A LA TRACTION A 1 JOUR DE MATURITE...126 TABLEAU 6.2 : MODULE D YOUNG POUR LES DIFFERENTS ESSAIS DE FLUAGE...128 TABLEAU 7.1 : TABLEAU RECAPITULATIF DES CONTRAINTES INTERNES ET DES RESISTANCES EN TRACTION A L APPARITION DE LA FISSURE POUR L ANNEAU EN LAITON...143 TABLEAU 7.2 : TABLEAU RECAPITULATIF DES CONTRAINTES INTERNES ET DES RESISTANCES EN TRACTION A L APPARITION DE LA FISSURE POUR L ANNEAU EN INOX...144 TABLEAU 7.3 : AGES DE FISSURATION DES DEUX COMPOSITIONS DE PATES DE CIMENT EN FONCTION DE L HISTORIQUE THERMIQUE IMPOSE (ESSAIS AVEC L ANNEAU EN LAITON)...157 TABLEAU 7.4 : DEFORMATIONS A LA RUPTURE ET AGES DE FISSURATION POUR LES TROIS ANNEAUX EN FONCTION DE LA TEMPERATURE POUR LA PATE DE CIMENT CEM I ET CEM III DE RAPPORT E/C = 0,30...160 TABLEAU 8.1 : RECAPITULATIF DES TEMPS DE PRISE MOYENS POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...171 TABLEAU 8.2 : RECAPITULATIF DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...173 TABLEAU 8.3 : RECAPITULATIF DES TEMPS POUR LEQUEL E = 10 000 MPA POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS....174 TABLEAU 8.4 : RECAPITULATIF DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...176 TABLEAU 8.5 : RECAPITULATIF DES VALEURS DE K POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...178 TABLEAU 8.6 : RECAPITULATIF DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...180 TABLEAU 8.7 : RECAPITULATIF DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTS ESSAIS...183 TABLEAU 8.8 :RECAPITULATIF DES ENERGIES D ACTIVATION POUR LES DIFFERENTES COMPOSITIONS...190 TABLEAU 8.9 : RECAPITULATIF DES AGES DE FISSURATION DES COMPOSITIONS SOUMISES A DES RAMPES DE TEMPERATURES...195 -xvii-
-xviii- Liste des tableaux
Introduction générale INTRODUCTION GENERALE Contexte de l étude et problématique Les structures en béton se retrouvent parfois soumises à de fortes sollicitations avant même la fin de leur mise en œuvre. Ces sollicitations sont liées aux conditions de chantiers par exemple (décoffrage rapide pour une vitesse de rotation des banches, reprise de bétonnage, conditions climatiques ). Ces sollicitations aboutissent souvent à long terme à la fissuration et par la suite quelque fois à la ruine de l ouvrage. Les dommages, ainsi observés, se produisent souvent à deux échéances différentes dans le temps. A long terme, elles sont plutôt liées à une perte de durabilité qui peut provenir des variations volumiques du matériau pendant la vie de l ouvrage, dues aux attaques extérieures ou aux sollicitations mécaniques extrêmes du à l exploitation de l ouvrage. Le second type de dommage peut avoir lieu, avant même la mise en service de l ouvrage et peut avoir des conséquences directes sur le comportement de la structure à long terme. L apparition de macro et de micro fissures au jeune âge est la manifestation la plus directe de ce type de dommage. Les causes de ce type de dommage font encore de nos jours l objet d études (Monge, 2007 ; Moon et al., 2006 ; Radlinska et al., 2006). C est ce second type de défaillance auquel nous nous intéressons lors de cette présente étude. Aux jeune et très jeune âges, c est-à-dire au cours de la prise et des premiers jours qui suivent, les matrices cimentaires manifestent d importantes variations volumiques d origines différentes (thermique, hydrique ou physico-chimique). Parmi ces déformations, le retrait endogène et les déformations d origine thermique sont particulièrement problématiques pour la durabilité des matrices à faible rapport eau/ciment (typiquement les bétons à hautes performances). Le fort dosage en liant accroît en effet considérablement l amplitude de ces déformations au jeune âge et induit un risque élevé de fissuration précoce (Turcry, 2004). Le retrait endogène est lié au fait que le volume des hydrates issus des réactions d hydratation est inférieur à la somme des volumes du ciment et de l eau qui réagissent : c est la contraction Le Chatelier. A cela s ajoute une progressive désaturation de l espace poreux capillaire causée par la consommation de l eau pendant le processus d hydratation. Cette autodessiccation engendre une dépression capillaire interne qui se traduit par la contraction du matériau : ce retrait, dit d autodessiccation, correspond à la phase de retrait endogène mesuré après la prise -1-
Introduction générale du matériau. Les déformations d origine thermique sont, quant à elles, le résultat du dégagement de la chaleur d hydratation au cours de la prise. Ce dernier peut engendrer une élévation de température du matériau de plusieurs dizaines de degrés Celsius. On observe alors une phase de dilatation thermique suivie d une contraction au fur et à mesure que l équilibre thermique s établit avec le milieu extérieur. Dans la plupart des ouvrages ou parties d ouvrages en béton, les variations dimensionnelles du matériau sont partiellement empêchées, et les contraintes internes de traction qui se développent, lorsqu elles deviennent supérieures à la résistance du matériau, sont susceptibles d entraîner une fissuration prématurée (Acker, 2003). La prévision de cette fissuration nécessite de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Or, ces déformations sont des conséquences directes et simultanées de l hydratation du ciment et du durcissement du matériau : elles interagissent naturellement entre elles et seules des études en laboratoire peuvent permettre de les découpler et de quantifier leur influence relative sur le risque de fissuration au jeune âge. Par ailleurs, compte tenu des interactions entre les mécanismes en jeu (évolution des propriétés mécaniques et développement des contraintes liées aux déformations empêchées), une connaissance des déformations en conditions libres est insuffisante pour prédire ce type de fissures. Comme pour le retrait libre, de nombreux paramètres conditionnent la cinétique et l amplitude des déformations empêchées : la température de cure, la composition du béton, le type de ciment, la géométrie de la pièce, les conditions de séchage, etc. L effet de certains de ces paramètres a fait l objet de précédents travaux de recherche (Grzybowski et Shah, 1990 ; Weiss et al. 1999 ; Hossain et Weiss, 2006 par exemple), mais il existe encore peu d études sur l influence de la température sur le retrait endogène empêché et la fissuration qu il occasionne. -2-
Introduction générale Les objectifs et la démarche adoptée de la thèse Ce travail de recherche s inscrit dans le cadre d une meilleure identification et compréhension des mécanismes moteurs et des paramètres conditionnant l apparition de la première fissure des matrices cimentaires en conditions endogènes au jeune âge. Cette étude a été organisée autour de trois principaux objectifs. Il s agissait dans un premier temps de développer et de mettre au point des dispositifs d essais fiables et précis permettant de mesurer les déformations empêchées et sous chargement, en conditions endogènes et sous température contrôlée sur des pâtes de ciment. Une campagne expérimentale et une analyse multivariable sur des pâtes de ciments a ensuite été réalisée afin de mettre en évidence les effets du type de ciment, du rapport Eau/Ciment (E/C), de la température de cure et du degré de restriction des déformations. En parallèle, des essais de caractérisations mécaniques ont été effectués pour mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans l apparition de la fissuration. Le troisième objectif est basé sur la prédiction de l âge de la fissure en considérant un modèle simple : le concept de maturité. Les résultats obtenus ont été comparés aux résultats expérimentaux. Ce mémoire décrit la démarche scientifique adoptée, les résultats obtenus et l analyse qui en a été faite. Il s organise en quatre grandes parties. La première partie est dédiée à l analyse bibliographique des déformations des pâtes de ciment au jeune âge. Le chapitre 1 analyse les différentes déformations avec leurs mécanismes et les facteurs les influençant. Une attention particulière est portée à l effet de la présence de laitiers ainsi qu à l influence de la température sur les déformations des matrices cimentaires. L aspect métrologique est également analysé à travers la description des différentes méthodes existantes (chapitre 2) pour la mesure des déformations endogènes libres, empêchées et sous chargement. La deuxième partie du mémoire présente tout d abord les matériaux, les mélanges et les températures de conservation étudiés (chapitre 3). Le second chapitre (chapitre 4) de cette partie, est consacré à la présentation des protocoles expérimentaux utilisés au cours de ce travail. Les dispositifs développés sont décrits et leurs performances en terme de répétabilité et de régulation thermique sont quantifiées. Une analyse critique de ces dispositifs est réalisée afin de limiter les artefacts liés à la mesure des déformations au jeune âge. La troisième partie est consacrée à la présentation des résultats expérimentaux des essais de prise, de résistance en compression et flexion et de module d Young. Les effets des -3-
Introduction générale paramètres étudiés (type de ciment, rapport Eau/Ciment et température) sont analysés (chapitre 5). Le chapitre 6 présente les résultats expérimentaux de mesure de retrait libre et des déformations sous chargement en traction (fluage). La dernière partie de ce mémoire est scindée en deux chapitres. Dans le premier chapitre, les résultats expérimentaux des déformations en conditions empêchées sont présentés. Les effets des paramètres de l étude sont analysés. Dans le second chapitre de cette partie, nous proposons une étude sur l énergie d activation apparente et l application du concept de maturité pour la prédiction de l âge d apparition de la fissure. Dans une première partie, la détermination des énergies d activation apparente avec trois essais (prise Vicat, résistance en compression et module d Young) est réalisée, une analyse de l influence des paramètres d études est faite. Ensuite, nous proposons une méthode pour obtenir l énergie d activation apparente avec les âges d apparition de la fissure. Cette énergie d activation est utilisée pour prédire l âge de la fissuration sur des pâtes de ciment ayant été soumis à un historique de température. Une analyse des résultats expérimentaux et numériques est réalisée. -4-
PARTIE 1 : Analyse bibliographique PARTIE 1 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE Chapitre 1 : Chapitre 2 : Les déformations endogènes des pâtes de ciment au jeune âge : retrait endogène et fluage propre Les méthodes expérimentales pour la caractérisation des déformations endogènes au jeune âge -5-
PARTIE 1 : Chapitre 1 Les déformations des pâtes de ciment au jeune âge Chapitre 1: LES DEFORMATIONS ENDOGENES DES PÂTES DE CIMENT AU JEUNE AGE : RETRAIT ENDOGENE ET FLUAGE PROPRE Les matrices cimentaires sont des matériaux poreux réactifs dont le comportement au jeune âge est marqué par des variations dimensionnelles relativement importantes. Ces déformations peuvent être particulièrement problématiques : en effet, leur empêchement partiel ou total peut générer un champ de contraintes de traction suffisamment élevées pour provoquer la fissuration de la matrice cimentaire en cours de durcissement (Acker, 2003). Les déformations des matériaux cimentaires ont différentes origines. Elles sont intimement liées à l état de l eau dans la porosité et à l avancement des réactions d hydratation et se développent même en l absence d échange de masse entre le matériau et le milieu extérieur. Elles sont alors qualifiées d endogènes. On parlera de déformations exogènes, lorsque le matériau est soumis au séchage. On peut ainsi distinguer trois grands types de déformations au jeune âge : - les déformations d origine hygrique (exogènes), liées au séchage du matériau : il s agit du retrait de dessiccation auquel s ajoute du fluage de dessiccation lorsque le matériau est sollicité mécaniquement - Les déformations d origine physico-chimique (endogènes). Elles s expliquent par le fait que les réactions d hydratation ne se déroulent pas à volume constant. Cette variation volumique d origine chimique est appelée contraction Le Chatelier Lorsque la prise du matériau commence, la contraction Le Chatelier évolue vers une autre déformation appelée retrait d autodessication. Ce retrait est dû à la microstructuration du milieu poreux et aux dépressions capillaires entre les hydrates formés. La figure 1.1 présente l évolution typique de ces déformations pour une pâte de ciment non adjuvantée. Le chargement mécanique du matériau peut également engendrer, en plus de la réponse élastique, des déformations différées dite de fluage propre, car elles ne sont pas liées au séchage du milieu -6-
PARTIE 1 : Chapitre 1 Les déformations des pâtes de ciment au jeune âge - Les déformations d origine thermique (dilatation puis contraction) induites par le caractère exothermique des réactions d hydratation et les échanges thermiques avec le milieu ambiant. Nos travaux de thèse sont consacrés aux déformations endogènes d origine physicochimiques (retrait endogène) et mécanique (fluage propre). Dans ce premier chapitre bibliographique, nous présentons tout d abord les mécanismes moteurs à l origine de ces déformations, c'est-à-dire l évolution de l hydratation et le développement de la microstructure des matrices cimentaires. Puis, une analyse des déformations endogènes libres, empêchées et sous chargement de traction sera réalisée et les principaux paramètres influençant ces déformations au jeune âge seront détaillés et explicités. Parmi ces paramètres, une attention particulière sera portée à l influence de la température sur le développement des déformations endogènes. Compte tenu du caractère thermoactivé de ces phénomènes, une étude bibliographique sur le concept de maturité et la détermination de l énergie d activation sera également réalisée. Figure 1.1 Evolution du retrait endogène au cours du temps (Barcelo, 2001) -7-