Soutenance mémoire
Généralité sur les bétons
Le béton est un matériau de construction composite moderne, simple d’emploi et extrêmement répandu. Il se compose d’une matrice cimentaire (pâte de ciment hydraté) qui amalgame les inclusions rigides (graviers et sable). Un béton contient environ (en volume) :
– eau : entre 14 et 22 %
– ciment : entre 7 et 14 %
– granulats (dont sable) : entre 60 et 78 %
Pour différents bétons ayant un même dosage en ciment mais avec un rapport eau/ciment différent, on remarque que ses propriétés s’en retrouvent affectées. En effet, selon la combinaison des trois composants majeurs du béton, le matériau obtenu aura différentes propriétés (rhéologie, propriétés mécaniques, perméabilité…). L’ajout d’additions et d’adjuvants (cendres volantes, fumées de silice, superplastifiants…) permet de modifier les propriétés souhaitées. Il existe plusieurs gammes de béton selon leur rapport eau/ciment. Celui-ci est passé de 0,50 dans les Bétons Ordinaires à 0,45 dans les Bétons Hautes Performances et 0,20 dans les Bétons à Très Hautes Performances dont les résistances en compression à 28 jours dépassent les 100 MPa, de telles performances sont rendues possibles par l’utilisation de superplastifiant. Comme nous venons de le voir, la composition du béton a une grande importance sur les caractéristiques finales du matériau, c’est pourquoi il est important de comprendre les mécanismes qui entrent en jeu à cette échelle microscopique dans les différentes phases du béton. Nous allons donc tout d’abord nous intéresser à la pâte de ciment pour comprendre sa formation et son rôle à l’échelle macroscopique. Ensuite nous étudierons le rôle des granulats et des éventuels adjuvants.
Granulat
La définition de granulat est donnée par la norme XP-P 18.540 : « ensemble de grains de dimensions comprises entre 0 et 125 mm destiné notamment à la confection des mortiers et des bétons, […] ». Les sables sont des granulats dont le diamètre du plus gros grain doit être inférieur à 2 mm. Les granulats ont une influence importante sur les performances mécaniques et sur les déformations différées du béton obtenu. En effet ils ont, en règle générale, de meilleures performances mécaniques que la pâte de ciment. L’origine du granulat doit être prise en compte pour l’explication du comportement différé du béton en conditions séchantes à température ambiante, et à hautes températures.Les granulats peuvent également contribuer à la dégradation d’une structure en béton. En effet les granulats ne subissent pas de déformations différées à l’échelle de la durée de vie des structures. Les déformations différées de la pâte de ciment sont donc empêchées ce qui se traduit par :
– Des déformations différées à l’échelle du béton bien plus faibles que celles observées sur pâte de ciment.
– L’apparition de contraintes internes auto induites (sans chargement mécanique extérieur) dans la pâte de ciment et les granulats. Ces deux phénomènes seront détaillés par la suite. La forme et la rugosité des granulats ont une grande influence sur la compacité du mélange granulaire, qui est également sensible à la granulométrie (distribution de taille des granulats utilisés dans un béton donné). La granulométrie a pour but d’optimiser la réduction du volume des vides afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques du béton. [DreuxGorisse 1970]. La forme et la nature (calcaire, siliceuse, silico-calcaire) des granulats choisie joue également sur l’adhérence avec la matrice cimentaire. Les granulats utilisés pour le béton sont d’origine soit naturelle, soit artificielle, soit recyclée.
Le séchage des bétons
L’exposition d’une structure en béton à une humidité relative environnante, inférieure à celle régnant au sein du matériau est à l’origine d’un déséquilibre hygrométrique. Ce déséquilibre se traduit par un mouvement de l’eau de l’intérieur du matériau vers l’extérieur, conduisant au séchage de celui-ci. En effet, au décoffrage, le béton se trouve dans une ambiance extérieure dont l’humidité relative est inférieure à celle au sein du matériau. Il subit alors un véritable choc hydrique. Il est donc en déséquilibre hygrométrique avec l’atmosphère. Le séchage va lui permettre de retrouver, très lentement, un équilibre hydrique avec le milieu extérieur. Le séchage est un phénomène complexe. De multiples mécanismes sont mis en jeu simultanément: perméation, diffusion, convection, sorption/désorption. Le processus de séchage, dans les matériaux à matrice cimentaire, est un phénomène très lent (1000 à 10000 fois plus lent que le processus de diffusion thermique, [Acker et Ulm 2001]). Le séchage des bétons a plusieurs effets sur le béton :
– Il est le moteur de déformations différées : le retrait de dessiccation et le fluage de dessiccation.
– Le degré de saturation a une influence importante sur le transfert des gaz et sur le coefficient de diffusion des espèces ioniques.
– La création de microfissures (voir de macro fissures) du fait des déformations de retrait de dessiccation différentielles entre la peau et le cœur, mais aussi entre les granulats et la pâte de ciment. Ces fissures peuvent affecter les propriétés de transfert. Nous allons tout d’abord étudier les différents mécanismes du séchage et sa caractérisation, puis nous verrons différentes approches de modélisation. En dernière partie, les conséquences du séchage sur les propriétés mécaniques et sur les propriétés de transfert sont analysées.
Effet sur les propriétés mécaniques
En parallèle de la fissuration observée, le développement de la pression capillaire génère des contraintes de compression au sein du béton (ou de la pâte de ciment ou du mortier), qui joue le rôle de précontrainte interne. On observe généralement une diminution du module d’Young entre 4 et 30 % [Wittmannn 1970], [Brooks et Neville 1977], [Dantec et al. 1996], [Kanna et al. 1998], [Burlion et al. 2005], [Yurtdas et al. 2006] et [de Jenlis 2008] jusqu’à 30 – 50 % d’humidité relative. [Wittmann 1970] et [Torrenti 1987] observent ensuite une augmentation lorsque le matériau devient sec. Il est à noter que [de Jenlis 2008] n’observe aucune variation significative du module d’Young de la pâte de ciment si celle-ci est séchée progressivement par palier. Néanmoins, il n’y a pas de consensus sur les résistances en traction et en compression. [Brooks et Neville 1977], [Dantec et al. 1996], [Burlion et al. 2005], [Yurtdas et al. 2006], [de Jenlis 2008] indiquent une augmentation de la résistance en compression. [Wittmannn 1970], [Torrenti 1987], [Hanson 1968] indiquent globalement une diminution de la résistance en compression jusqu’à 30 – 50 % d’humidité relative. Il est à noter que [Pihlajavaara 1974] mesure au départ une légère augmentation de la résistance en compression suivi d’une légère diminution, puis d’une importante augmentation sur mortier lorsque le matériau devient sec. Cette augmentation est également mesurée par [Wittmannn 1970] et [Torrenti 1987]. [Szczésniak et al. 2007] note une augmentation de la résistance en compression triaxiale quelque soit la taille des inclusions alors que l’effet du séchage n’est pas très significatif pour la résistance en compression uniaxiale. Morin et Maso [Morin et Maso 1982], quant à eux, n’observent aucune modification de la résistance après fluage en traction (chargement en fluage à 25 % et 50 % de la résistance à la traction) Concernant la résistance en traction par fendage, [Hanson 1968] a observé une légère diminution. En flexion, [Fouré 1985] et [Kanna et al. 1998] ont observé lors du séchage une diminution au début puis une augmentation progressive jusqu’à une humidité relative de 0 %. [de Jenlis 2008] observe à nouveau sur une pâte de ciment un comportement qui dépend de la cinétique de séchage : lors d’un séchage par palier, aucune variation significative n’est observée, alors qu’après un séchage « direct à 38 % », une chute d’environ 44 % de la résistance est mesurée. Enfin, [Pihlajavaara 1974] observe une augmentation continuelle de la résistance en traction par flexion lors du séchage. Dans le cas d’essais de traction directe, une diminution est mesurée par [Fouré 1985] et [de Larrard et Bostvirronois 1991], suivie d’une augmentation. [Brooks et Neville 1977] observent l’inverse, tout d’abord une augmentation de 24 % suivie d’une diminution.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION GENERALE
1. Problématique :
1.1 Présentation du contexte industriel
1.2 L’énergie Nucléaire en France
1.3 La conception et réglementation des centrales nucléaires françaises
2. Objectif de l’étude
PARTIE A : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1. Généralité sur les bétons
1.1 Pâte de ciment
1.1.1 Les hydrates
1.1.2 La porosité
1.2 Granulat
1.2.1 Les granulats naturels
1.2.2 Les granulats artificiels
1.2.3 Les granulats recyclés
1.2.4 Auréole de transition
1.3 Adjuvants et additions
2. Le séchage des bétons
2.1 Mécanismes du séchage et caractérisation expérimentale
2.1.1 Les mécanismes du séchage
2.1.2 Caractérisation expérimentale du séchage
2.2 Les effets du séchage
2.2.1 Effet sur les propriétés mécaniques
2.2.2 Effet du séchage sur le transfert de gaz
2.3 La modélisation du séchage et du transfert de gaz
2.3.1 Equations de conservation de la masse : approches complètes
2.3.2 Equations de conservation de la masse : approche simplifiée pour le séchage
2.3.2.1 Equations constitutives
2.3.2.2 Identification des paramètres de séchage
2.3.3 Autre approche pour la modélisation du séchage
2.3.4 Equations de conservation de la masse : approche simplifiée pour le transfert de gaz
2.3.4.1 Conditions aux limites pour le séchage
2.4 Conclusion
3. La fissuration des bétons
3.1 Observations expérimentales de la fissuration
3.1.1 Comportement en compression uniaxiale
3.1.2 Comportement en traction uniaxiale
3.1.3 Modélisation de la fissuration
4. Les déformations différées dans le béton
4.1 La déformation de retrait de dessiccation
4.1.1 Caractéristiques du retrait de dessiccation
4.1.1.1 Effet structural du retrait de dessiccation
4.1.1.2 Effet de la composition du matériau sur le retrait de dessiccation
4.1.1.3 Effet de la fissuration induite par le retrait sur le séchage
4.1.2 Les mécanismes du retrait de dessiccation
4.1.3 Modélisation du retrait de dessiccation
4.1.3.1 Modélisation phénoménologique
4.1.3.2 Modélisation basée sur la mécanique des milieux poreux
4.2 Etude des déformations de fluage propre
4.2.1 Observations expérimentale
4.2.1.1 Le fluage propre en compression
4.2.1.2 Le fluage propre en traction directe
4.2.1.3 Fluage propre en flexion trois points
4.2.1.4 Comparaison des courbes de fluages spécifiques en traction et en compression
4.2.2 Les mécanismes de fluage propre
4.2.2.1 Mécanisme à court terme
4.2.2.2 Mécanisme à long terme
4.2.3 Modélisation du fluage propre
4.2.3.1 Cadre de la viscoélasticité linéaire
4.2.3.2 Couplage fluage/fissuration
4.3 Etude des déformations de fluage de dessiccation
4.3.1 Observations expérimentales
4.3.1.1 Le fluage de dessiccation en compression
4.3.1.2 Le fluage de dessiccation en traction
4.3.1.3 Comparaison des courbes de fluage spécifique en compression et traction
4.3.2 Les mécanismes de fluage de dessiccation
4.3.3 La modélisation du fluage de dessiccation
4.4 Montages expérimentaux pour la caractérisation du fluage
4.4.1 Etude du fluage en traction au jeune âge par déformation empêchée ou gênée
4.4.2 Essai à l’anneau
4.4.3 Dispositif de traction directe
5. Conclusion
PARTIE B : ETUDE EXPERIMENTALE
1. Composition, mise en œuvre et conservation du matériau
1.1 Composition du matériau étudié
1.1.1 Références sur le B11
1.1.2 Nature des constituants de notre étude
1.1.2.1 Les granulats
1.1.2.2 Le ciment
1.1.3 Formulation
1.2 Mise en œuvre et conservation du matériau
1.2.1 Fabricatio
1.2.2 Essai de surveillance de la prise du béton grâce aux ultrasons
1.2.3 Cure du matériau
2. Présentation des différentes campagnes expérimentales
2.1 Campagne expérimentale du fluage en traction uniaxiale (LCPC)
2.1.1 Bâti de fluage en traction directe
2.1.2 Etalonnage des masses
2.1.3 Description des éprouvettes
2.1.4 Instrumentation des essais
2.1.4.1 Eprouvette 13×50 cm
2.1.4.2 Eprouvette 16×100 cm
2.1.5 Collage et décollage des éprouvettes
2.1.5.1 Collage
2.1.5.2 Décollage
2.1.5.3 Caractérisation mécanique de la colle
2.1.6 Conditions d’essais pour la mesure des déformations différées (LCPC)
2.1.7 Acquisition des données
2.1.8 Mesure de débit
2.2 Tests préliminaires
2.2.1 Détermination de la résistance en traction
2.2.2 Essais de fluage avec mesure de débit d’air
2.3 Campagne de fluage en traction avec pré-séchage des éprouvettes
2.4 Campagne expérimentale du fluage en compression (LMT)
2.4.1 Bâtis de fluage en compression
2.4.2 Description des éprouvettes
2.4.3 Positionnement des éprouvettes sur le bâti
2.4.4 Instrumentation des essais
2.4.5 Conditions d’essais pour la mesure des déformations différées (LMT)
3. Présentation des essais
3.1 Décomposition des déformations de fluage
3.2 Campagne de fluage en traction
3.2.1 Protocole expérimental
3.2.2 Présentation des différents essais (LCPC)
3.2.3 Cycle de vie d’une éprouvette
3.3 Campagne de fluage en traction avec préséchage
3.3.1 Présentation des différents essais (préséchage)
3.3.2 Mesure de débit
3.3.3 Niveau de chargement
3.4 Campagne de fluage en compression
3.4.1 Présentation des différents essais (LMT)
4. Conclusion
PARTIE C : RESULTATS ET ENSEIGNEMENTS
1. Présentation et analyse des résultats
1.1 Caractéristiques mécaniques du B11
1.2 Evolution de l’ambiance
1.3 Séchage
1.3.1 Perte en masse
1.3.1.1 Perte en masse LCPC (20°C, 50 % HR)
1.3.1.2 Perte en masse LMT (19°C, 42 % HR)
1.3.1.3 Perte en masse LMT (25°C, 60 % HR)
1.3.1.4 Perte en masse à 40°C et 80 % HR
1.3.1.5 Comparaison des suivis de perte en masse
1.3.2 Isotherme de désorption
1.3.3 Porosité
1.4 Déformations de retrait de dessiccation
1.4.1 Suivi des déformations d’origine thermique [LCPC]
1.4.2 Evolution du retrait de dessiccation en fonction du temps
1.4.2.1 Essais LCPC (20°C et 50% HR)
1.4.2.2 Essais LMT (19°C et 42 % HR)
1.4.2.3 Essai de retrait de dessiccation à 20°C, 50 % HR avec préséchage à 40°C et 80 % HR
1.4.2.4 Comparaison des déformations de retrait de dessiccation en fonction du temps
1.4.3 Détermination du retrait de dessiccation en fonction de la perte en masse
1.4.3.1 Essais LCPC (20°C et 50% HR)
1.4.3.2 Comparaison des résultats de retrait de dessiccation en fonction de la perte en masse
1.5 Essai de fluage propre
1.5.1 Fluage propre en traction
1.5.1.1 Essais de fluage propre LCPC
1.5.1.2 Comparaison des courbes de fluage propre spécifique en tractio
1.5.1.3 Essais de fluage propre en traction avec préséchage
1.5.2 Fluage propre en compression
1.5.2.1 Essais de fluage propre LMT
1.5.2.2 Comparaison des essais de fluage en compression
1.5.3 Comparaison des courbes de fluage propre spécifique en traction et en compression
1.6 Fluage de dessiccation
1.6.1 Fluage de dessiccation en traction
1.6.1.1 Essais de fluage de dessiccation LCPC
1.6.1.2 Comparaison des courbes de fluage de dessiccation spécifique en traction
1.6.1.3 Essais de fluage de dessiccation avec préséchage
1.6.2 Fluage de dessiccation en compression
1.6.2.1 Essais de fluage de dessiccation LMT
1.6.3 Comparaison des courbes de fluage de dessiccation spécifique en traction et en compression
1.6.4 Comparaison entre le fluage de dessiccation et le fluage propre
1.6.5 Proportionnalité entre le fluage de dessiccation et le retrait de dessiccation
1.7 Propriétés mécaniques résiduelles
1.7.1 Evolution du module d’Young
1.7.2 Effet du séchage sur la résistance du béton (sans fluage)
1.7.3 Incidence du fluage et du séchage sur la résistance en traction résiduelle
1.7.4 Incidence du fluage et du séchage sur la résistance en compression résiduelle
1.7.5 Comparaison de la résistance résiduelle en compression et en traction
1.8 Conclusion
2. Simulation numérique des résultats
2.1 Modélisation du séchage
2.1.1 Description du modèle
2.1.1.1 Equation de conservation de la masse
2.1.1.2 Conditions aux limites en surface
2.1.1.3 Validation de l’approche simplifiée pour décrire le séchage
2.1.2 Identification des paramètres matériaux
2.1.2.1 Porosité
2.1.2.2 Isotherme de désorption
2.1.3 Simulation numérique du séchage sans prise en compte de la convection
2.1.3.1 Suivi de la perte en masse LMT (25°C et 60% HR)
2.1.3.2 Influence des conditions aux limites pour l’essai LCPC (20°C et 50% HR)
2.1.3.3 Influence de l’humidité relative interne initiale de l’éprouvette
2.1.3.4 Identification de la perméabilité intrinsèque pour les différentes courbes de perte en masse
2.1.3.5 Suivi de la perte en masse LMT en enceinte climatique (19°C, et 42% HR)
2.1.3.6 Suivi de la perte en masse LCPC (20°C, et 50% HR)
2.1.3.7 Récapitulatif des paramètres identifiés
2.1.4 Simulation numérique du séchage avec prise en compte de la convection
2.1.4.1 Simulation des essais LCPC (20°C et 50% HR)
2.1.4.2 Simulation des essais LMT (19°C et 42 % HR)
2.1.4.3 Simulation des essais LMT (25°C et 60 % HR)
2.1.4.4 Bilan des différentes simulations numériques (sans préséchage)
2.1.4.5 Simulation des essais de préséchage (40°C et 80 % HR)
2.1.4.6 Simulation des essais (20°C et 50 % HR) après préséchage (40°C et 80 % HR)
2.1.4.7 Récapitulatif des paramètres identifiés (avec convection)
2.1.5 Conclusion
2.2 Modélisation de la fissuration
2.3 Modélisation du retrait de dessiccation
2.3.1 Simulation des essais de retrait de dessiccation (séchage sans convection)
2.3.2 Simulation des essais de retrait de dessiccation (séchage avec convection sans prise en compte du fluage)
2.3.2.1 Simulation des essais de retrait de dessiccation LCPC (20°C et 50% HR)
2.3.2.2 Simulation des essais de retrait de dessiccation LMT (19°C, 42% HR)
2.3.2.3 Simulation des essais de retrait de dessiccation LCPC 2008 (20°C, 50 % HR)
2.3.2.4 Simulation des essais de retrait de dessiccation (20°C, 50 % HR) avec préséchage (40°C, 80 % HR)
2.3.2.5 Bilan de l’identification des paramètres matériaux
2.3.3 Conclusion
2.4 Modélisation des déformations de fluage propre
2.4.1 Description du modèle utilisé
2.4.2 Identification des paramètres matériaux
2.4.3 Conditions aux limites
2.4.4 Simulation du fluage propre en traction
2.4.5 Simulation du fluage propre en compression
2.4.6 Modélisation combinée du fluage propre en traction et en compression
2.4.7 Conclusion
2.5 Modélisation des déformations de fluage de dessiccation
2.5.1 Conditions aux limites
2.5.2 Analyse des déformations de fluage de dessiccation
2.5.2.1 Essais LCPC en traction (20°C, 50 % HR)
2.5.2.2 Réanalyse du retrait de dessiccation avec prise en compte du fluage (20°C, 50 % HR)
2.5.2.3 Essais LMT en compression (19°C, 42 % HR)
2.5.2.4 Essais LCPC 2008 en traction (20°C, 50 % HR)
2.5.3 Conclusion
2.6 Etude de l’interaction entre la fissuration et les déformations de fluage propre et dessiccation
2.6.1 Modélisation du couplage fluage fissuration
2.6.2 Identification du paramètre de couplage
2.6.3 Rupture pendant l’essai de fluage en traction (essais LCPC)
2.6.3.1 Cas du fluage propre
2.6.3.2 Cas du fluage de dessiccation.
2.6.3.3 Conclusion
2.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
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