Concept de formulation du béton autoplaçant

Définition d’une réparation mince

Une réparation mince est, par définition, un travail de remise en état, où une faible quantité de béton est enlevée avant la pose d’une nouvelle couche de béton d’environ 25 mm à 100 mm d’épaisseur (Saucier, 1990). Elle a comme principal objectif, outre celui de redonner à la structure ses qualités initiales, de garantir sa durabilité (Fig. 1.1). Or, cette durabilité est souvent victime d’une mauvaise adaptation – c’est-à-dire d’une incompatibilité entre le nouveau béton et l’ancien béton (Morgan, 1996, Vaysburd et al., 2004). Le résultat se traduit par un décollement ou encore souvent par l’apparition des fissures au jeune âge du nouveau béton. Ces fissures favorisent la pénétration d’agents agressifs dans le béton qui accélèrent la destruction du matériau réparé et ce, en dépit de performances mécaniques souvent élevées du matériau de réparation (Vaysburd et al., 2004). Figure 1.1 Représentation schématique des composantes d’une réparation mince Tirée de Emmons et Vaysburd (1996) Les paramètres influençant la durabilité des réparations des ouvrages en béton sont interreliés, amenant la problématique à être beaucoup plus complexe, telle qu’illustrée par la figure 1.2.

De plus, l’expérience montre que, même si un matériau de réparation s’avère très efficace dans une structure donnée, ce matériau peut fissurer dans une structure différente (Morgan, 1996; Vaysburd et al., 2004), d’ou l’importance de tenir compte de la nature mixte3 de l’ensemble de la réparation sur le plan de la compatibilité. Figure 1.2 Niveaux d’influence sur la performance des matériaux de réparations Tirée de Vaysburd, Emmons, McDonald et Mailvaganam (2004) Du fait du caractère composite de la réparation, sa durabilité est gouvernée non seulement, par les propriétés respectives du matériau d’apport et du béton original, mais aussi par l’adhérence entre les matériaux constitutifs, ceci bien entendu, en admettant que les règles de l’art, de la mise en place et du mûrissement sont bien respectées. Dans la mesure où le béton du substrat et le matériau de réparation possèdent individuellement de bonnes propriétés, la performance du composite est alors étroitement liée à celle de l’interface (Saucier, 1990). Par conséquent, la résistance de cette interface doit être suffisamment élevée pour permettre le transfert des efforts les plus défavorables, particulièrement les contraintes de cisaillement et de traction entre les phases liées et conserver l’intégrité de la réparation.

La compatibilité volumétrique

Dès sa mise en place sur une surface de vieux béton, le nouveau matériau de réparation est susceptible de subir des changements de volume (Weiss et Shah, 2002). Ces changements sont causés par la réaction d’hydratation du ciment (retrait endogène) et par le retrait de séchage. Étant donné que le substrat formé de l’ancien béton est dans un état stable, les deux matériaux qui composent la réparation ne répondent plus à ce moment de la même façon aux variations de leur milieu. De plus, lors du séchage du nouveau matériau, un gradient de teneur en eau s’installe, dans la couche de réparation jusqu’à ce que l’équilibre hygrométrique soit atteint (Bazant, 1982). Le matériau est donc soumis à un retrait différentiel (Fig. 1.4). (a) profils d’humidité en fonction du temps ; (b) retrait libre des couches élémentaires pour un profil d’humidité donnée ; (c) évolution du profil d’humidité dans le temps; (d) retrait global en retrait empêché et les fissures qui en résultent. Figure 1.4 Retrait différentiel lors d’un profil non uniforme et ses conséquences sur le matériau de réparation Tirée de Bazant (1982) Selon la configuration de l’ouvrage et la qualité de l’adhérence, le retrait différentiel entre la couche de béton et le support peut causer différents désordres et prendre la forme d’un décollement ou encore de propagation de fissures à la surface du matériau de réparation tel qu’illustrés par la figure 1.5 (Carlswärd, 2006).

À cause du gradient d’humidité à l’origine du retrait différentiel, et du fait qu’en plus les déformations se voient empêchées par le vieux béton, des contraintes évolutives de tension se développent dans le matériau de réparation (Fig. 1.4). Ces contraintes causent le plus souvent la fissuration du nouveau béton de réparation, quand elles viennent à dépasser sa résistance en traction (Neville, 2000) (Fig. 1.6). La figure 1.6 montre que le processus menant à la fissuration du matériau de réparation est « une compétition » entre certaines propriétés mécaniques et viscoélastiques de ce matériau. D’une part, l’évolution du module élastique tend à augmenter l’intensité des contraintes dues au retrait de séchage, et donc de la valeur des contraintes générées lors de la restriction. D’autre part, l’évolution de la résistance en traction avec le temps donne au béton une meilleure résistance aux fissures. Ainsi, en l’absence du fluage, la fissuration a lieu au moment où la contrainte élastique de retrait empêché atteint la valeur de la résistance en traction (tinitial). Cependant, avec l’apport du fluage et la relaxation des contraintes, la fissuration peut être retardée au temps tretardé, tel qu’illustrée par la Fig. 1.6.

En ce qui a trait aux valeurs usuelles du retrait à long terme du béton, elles sont de l’ordre de 500 à 1000 μm/m, tandis que la capacité de déformation à la rupture en traction du béton est typiquement comprise entre 100 et 200 μm/m. Ce constat peut amener à penser qu’il est illusoire d’avoir une réparation mince exempte de fissurations. Toutefois, la capacité du béton à s’adapter en relaxant par fluage une partie des contraintes induites de tension permet d’obtenir des matériaux capables de résister sans dommages aux différentes sollicitations dues aux changements volumétriques (Altoubat, 2001; Beauschauen et Alexander, 2006). De ce point de vue, selon Yuan and Marrosszeky (cités par Morgan, 1996), un matériau de réparation idéal est un matériau susceptible de produire autant de déformation de fluage que de retrait, et par conséquent, capable de s’adapter avec l’ancien béton. Autrement dit, en dépit d’une amplitude de retrait de séchage importante, si le potentiel de fluage est élevé, la capacité du matériau de réparation à relaxer les contraintes induites de traction devrait favoriser son adaptation au substrat, d’où la notion de la capacité d’adaptation.

Matériaux de réparations

Il existe trois principales catégories de matériaux de réparation pour surfaces en béton : le mortier à base de polymères, le mortier cimentaire modifié par des polymères et le mortier cimentaire simple. Chaque catégorie a des propriétés physiques spécifiques, comme le montre le tableau 1.1 (Emmons et al., 1993, Mailvaganam et Mitchell, 2003). Les mortiers à base de résines de polymères peuvent être composés d’époxy, de polyester, d’acrylique ou de polyuréthane. Les mortiers cimentaires modifiés par des polymères sont composés de polymères hydrosolubles. Bien que ces produits de réparation à base de polymères soient d’usages multiples et de plus en plus utilisés, ils peuvent cependant se détériorer prématurément s’ils sont mal utilisés. Enfin, les matériaux à base de polymères dépendent étroitement de la qualité de leur application. Dans les cas des applications nécessitant un bon contrôle de la fissuration, les bétons sont souvent renforcés de fibres d’acier (BRFA). Toutefois, la difficulté de la mise en place des BRFA rend le travail de la réfection très pénible et leur usage souvent réduit à une plus petite échelle dans la construction. Enfin, l’utilisation croissante des produits dits à retrait compensé doit être considéré avec une très grande précaution. En effet, la cinétique du gonflement de ces ciments est souvent concomitante à l’hydratation du béton. Par conséquent le gonflement a lieu lorsque le module d’élasticité du nouveau matériau est faible et ne se traduit pas par une mise en « précontrainte » de la nouvelle couche (Mehta et Monteiro, 2006). En résumé, il n’existe pas à l’heure actuelle de règles claires permettant d’orienter le choix du meilleur matériau de réparation, et qui seront applicables à l’ensemble des gammes de produits disponibles. À ce propos, le béton autoplaçant, du fait de sa très grande maniabilité et l’automatisation de sa mise en place, se positionne comme « le candidat idéal » pour les travaux de réparations. De plus, du point de vue de la pratique, selon ce qui a été avancé précédemment, les ouvrages réparés avec le BAP dans la province du Québec semblent ne pas avoir fissurés (Hovington, 2000; Pilon, 2004). D’où l’intérêt visant à comprendre son comportement en conditions de retrait empêché.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITERATURE
1.1 Définition d’une réparation mince
1.2 Notions de compatibilité dans les réparations
1.2.1 La compatibilité chimique
1.2.2 La compatibilité électrochimique
1.2.3 La compatibilité de perméabilité
1.2.4 La compatibilité volumétrique
1.2.5 Notion de capacité d’adaptation
1.3 Matériaux de réparations
1.4 Les bétons autoplaçants
1.4.1 Concept de formulation du béton autoplaçant
1.4.2 Les constituants du BAP
1.5 Les déformations du béton
1.6 Le retrait libre
1.6.1 Le retrait plastique
1.6.2 Le retrait endogène
1.6.3 Le retrait de séchage
1.6.3.1 Mécanismes à la base du retrait de séchage
1.6.3.2 Le retrait de séchage des BAP
1.7 Le fluage
1.7.1 Le fluage propre
1.7.2 Le fluage de séchage
1.7.3 Le banc de fluage flexionnel
1.7.4 Le fluage des BAP
1.8 Le retrait restreint
1.8.1 Techniques de mesure du retrait restreint
1.8.1.1 Les essais linéiques
1.8.1.2 Les essais sur plaques et sur dalles
1.8.1.3 Les essais à l’anneau
1.8.2 La fissuration du retrait restreint des BAP
1.9 Conclusion et besoins de la recherche
CHAPITRE 2 HIGH VARIABILITY OF TIME DEPENDENT BEHAVIOR OF SELF-CONSOLIDATING CONCRETE
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Research Significance
2.4 Experimental investigation
2.4.1 Materials
2.4.2 Mixing Procedure
2.4.3 Test Methods
2.4.3.1 Flexural Creep Device
2.5 Results and Discussion
2.5.1 Mechanical Properties
2.5.2 Drying Shrinkage
2.5.3 Flexural Creep test Results
2.5.4 Flexural creep coefficient
2.5.4.1 SCC without VMA
2.5.4.2 SCC with different combinations of HRWR-VMA
2.5.5 Specific flexural creep
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 ENGINEERING PROPERTIES OF SELF-CONSOLIDATING CONCRETE BASED ON COMMERCIALLY AVAIBLABLE TERNARY BLENDED CEMENTS
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Research significance
3.4 Experimental investigation
3.4.1 Materials
3.4.2 Mixture proportioning
3.4.3 Test Methods
3.5 Experimental Results
3.5.1 Slump flow retention
3.5.2 Setting Time
3.5.3 Compressive Strengths
3.5.4 Splitting Strengths
3.5.5 Drying Shrinkage
3.5.6 Mercury Intrusion Porosimetry
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 RESTRAINED SHRINKAGE CRACKING OF SELFCONSOLIDATING CONCRETE
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Research significance
4.4 Experimental investigation
4.4.1 Materials
4.4.2 Mixing procedure
4.4.3 Test Methods
4.4.3.1 Fresh State
4.4.3.2 Mechanical Properties
4.4.3.3 Free Shrinkage
4.4.3.4 Restrained Shrinkage
4.5 Experimental Results
4.5.1 Total free shrinkage
4.5.2 Restrained Shrinkage
4.6 Discussion
4.6.1 Strain factor during free shrinkage
4.6.2 Tensile creep under restrained shrinkage
4.6.3 Influence of chemicals admixtures
4.6.4 Influence of binder nature
4.6.5 Performance criteria
4.7 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I ESSAI DU BANC DE FLUAGE : THÉORIE & EXTRACTION DES RÉSULTATS
ANNEXE II APPROCHE THÉORIQUE : CALCUL DES CONTRAINTES DANS L’ESSAI DE L’ANNEAU
ANNEXE III RÉSULTATS DE LA SÉRIE DES BÉTONS ORDINAIRES ET FLUIDES
ANNEXE IV DENSITE DE FISSURATION
LISTE DE RÉFÉRENCES B
IBLIOGRAPHIQUES

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