Comportement à la flexion des poutres en béton armé à base de graviers recyclés

Comportement à la flexion des poutres en béton armé à base de graviers recyclés.

S. OMARY 1, G. WARDEH

1, E. GHORBEL

1, H. GOMART

1

1 Université de Cergy Pontoise. 5 Mail Gay-Lussac, Neuville Sur Oise, 95031 Cergy Pontoise Cedex

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

RÉSUMÉ. Le papier présente une étude expérimentale sur la résistance ultime et la

fissuration des poutres en béton armé à base de graviers recyclés sous chargement statique

et cyclique. Des poutres 20x25x170 cm et 15x15x90 cm ont été préparées avec deux sections

d’armature différentes et deux bétons de classe de résistance C35/45. Les deux bétons sont

respectivement un béton de référence et un béton avec 100% de graviers recyclés de classe

de consistance S4 et ayant le même rapport E/C. Les poutres 20x25x170 cm ont été testées

en flexion 4 points sous chargement monotone tandis que les poutres 15x15x90 cm ont été

testées sous chargement cycliques en flexion 3 points. Les résultats obtenus montrent que

les poutres fabriquées en béton de graviers recyclés ont des résistances ultimes similaires à

celles du béton de référence mais avec des flèches et des états de fissuration

significativement plus importants. Les divers résultats expérimentaux ont été comparés à

ceux du dimensionnement et de la prédiction de la flèche suivant l’Eurocode 2 (EC2). Les

comparaisons révèlent que la méthode du calcul de la flèche ne permet pas de trouver

correctement les valeurs expérimentales, avec des écarts plus importants pour les poutres

de graviers recyclés. Cependant, l’EC2 permet de prévoir convenablement la capacité

portante des poutres pour les deux formulations.

ABSTRACT:

The paper presents an experimental study on the strength and the failure of reinforced

beams made of natural and recycled gravel under static and cyclic loading. 20x25x170 cm

and 15x15x90 cm beams specimens were prepared using two transverse reinforcement

arrangements and were cast from two concrete mixtures of C35/45 concrete strength class.

The two concretes are respectively a mixture of natural aggregates and a concrete with

100% recycled gravels of S4 class of workability and a constant W/C ratio. 20x25x170 cm

beams were tested in 4 points bending under monotonic loading while 15x15x90 cm beams

were tested under cyclic loading in 3 points bending. The obtained results show that the

beams made of recycled gravel concrete have strength similar to the strength of beams

casted from natural aggregates concrete but higher deflections and more pronounced

cracked states. Experimental results were compared to numerical strengths and deflections

calculated according to Eurocode 2 (EC2). The comparisons show that the method of

deflection calculation does not correctly predict the experimental result.

MOTS-CLÉS : GRANULATS RECYCLES, FLEXION, EUROCODE 2 (EC2), ELEMENTS DE

STRUCTURE, BETON ARME.

KEY WORDS: RECYCLED AGGERGATES, BENDING, EUROCODE2, REINFORCED

CONCRETE.

32èmes

Rencontres de l’AUGC, Polytech Orléans, 4 au 6 juin 2014 2

1. Introduction

De nos jours, le nombre d’ouvrages qui achèvent leur durée de vie ne cesse

d’augmenter et l’utilisation de matériaux de la démolition est une solution

envisageable pour minimiser l’approvisionnement à partir de ressources naturelles.

De ce fait, de nombreuses études expérimentales ont été réalisées à l’échelle

mondiale pour étudier les propriétés des bétons à base de granulats recyclés

[XIA05][ETX07][CAS08][DEJ09][BEL11][WAR13]. Les premières recherches

menées sur l’utilisation de ces granulats se sont intéressées à leur influence sur la

microstructure du béton [ETX07][DEJ09] et à l’étude des propriétés mécaniques en

fonction des taux de substitutions [XIA05][EVA07][CAS08][WAR13]. Les

chercheurs ont conclu qu’il est possible de formuler des bétons qui possèdent des

propriétés mécaniques comparables aux propriétés des bétons formulés à l’aide de

granulats exclusivement naturels [BEL11][WAR13].

Des études récentes encourageantes sur le comportement des éléments de

structures, fabriqués à partir des bétons de granulats recyclés, ont montré que ces

bétons pouvaient être utilisés pour les structures [AJD07][IGN13]. Ajdukiewicz et

Kliszczewicz [AJD07] ont étudié la performance des poteaux et des poutres armés,

fabriqués avec un béton à 100% de graviers recyclés, et un béton à granulats

naturels de la même classe de résistance à la compression. Ils n’ont constaté aucune

différence pour le comportement des poteaux. En revanche, ils ont trouvé que la

capacité porteuse des poutres préparées avec du béton à graviers recyclés diminue

de 3,5% par rapport aux poutres fabriquées avec du béton à granulats naturels.

Cette diminution de la résistance ultime est accompagnée d’une augmentation de la

flèche au cours du chargement. Ignjatovic et al. [IGN13] ont trouvé qu’à une

résistance à la compression et un ferraillage identiques, il n’y a aucune différence

entre le comportement des poutres de bétons naturels et recyclés, quel que soit le

taux de substitution. Cependant l’utilisation des granulats recyclés affecte

considérablement la carte des fissurations où le réseau de fissures et leurs tailles

augmentent avec le taux de substitution.

Le présent travail s’inscrit dans le même cadre que les deux études précédentes

: il porte sur le comportement à la flexion des poutres fabriquées avec deux bétons

possédant la même résistance à la compression. Le premier est formulé à base de

granulats naturels tandis que le deuxième est formulé avec 100% de graviers

recyclés issus du recyclage d’un béton de démolition. Outre les observations

globales, le modèle de la résistance des éléments fléchis et des flèches, prédit par

l’EC2 [EUR04], est étudié.

Comportement à la flexion des poutres en béton armé à base de graviers recyclés. 3

2. Programme expérimental

2.1. Matériaux utilisés

Un ciment CALCIA CEM I 52,5 N CE CP2 NF a été utilisé avec un sable

naturel roulé (S 0/4) et deux types de graviers. Le premier est un silico-calcaire

naturel semi-concassé (G1 4/10 et G2 10/20), tandis que le deuxième est recyclé.

Les granulats recyclés sont issus des travaux de démolition et ont été traités dans

une plate-forme de recyclage. Ils ont été fournis par COLAS en 2011 en big-bags et

ont été tamisés au laboratoire en deux coupures : un gravier GR1 (4/10) et un

gravier GR2 (10/20). Les propriétés physiques des granulats naturels et recyclés

sont présentées dans le Tableau 1. Nous constatons que les granulats recyclés sont

caractérisés par une masse volumique plus faible et une capacité d’absorption d’eau

plus importante que les granulats naturels. Enfin, le superplastifiant utilisé est le

Cimfluid 3002 composé de 30% d’extrait sec et de 70% d’eau.

Les barres armature utilisées sont de type Haute Adhérence, notées HA. Les

valeurs du module d’élasticité et de la limite élastique sont respectivement

Es=200 GPa et fy=500 MPa, avec une déformation ultime mesurée de 10%.

Tableau 1. Caractéristiques des granulats.

Sable G1 G2 GR1 GR2

Masse volumique (kg/m3) 2550 2510 2510 2240 2240

Coefficient d'absorption, WA24 (%) 1,4 1,6 1,8 8,0 6,5

Moule de finesse 2.7 - - - -

2.2 Composition des bétons

Dans le cadre de cette étude deux bétons ont été formulés pour la fabrication de

deux séries de poutres : un béton de référence à graviers naturels, noté BN, et un

béton à 100% graviers recyclés appelé BR100. Les deux bétons sont de classe de

consistance S4 et de classe de résistance C35/45 et la méthode de formulation est

détaillée dans Wardeh et Ghorbel [WAR13].

Le béton de référence a été formulé avec une quantité de ciment de 360 kg/m3 et

un rapport E/C de 0,5. Le squelette granulaire a été optimisé en mesurant la

compacité de plusieurs mélanges granulaires à l’aide d’une table vibrante. Pour le

béton naturel, les proportions optimales du sable, du gravier G1 et du gravier G2

dans le mélange est telle que 2

1 2 3

S

G G

et

1 1

2 2

G

G . Enfin, le dosage du

superplastifiant a été ajusté expérimentalement afin d’obtenir un affaissement au

cône d’Abrams de 18±2 cm. Pour le béton BR100, les graviers naturels ont été

32èmes


remplacés, en volume, par les graviers recyclés GR1 et GR2. Les granulats recyclés

ont été considérés secs dans la composition et la quantité d’eau absorbée par ces

matériaux a été ajoutée à l’eau de gâchage. De plus, compte tenu de la quantité

d'eau importante ajoutée à l'eau de gâchage, une quantité supplémentaire de ciment

a été ajoutée de telle sorte que le rapport E/C reste constant. Les proportions de ces

matériaux sont données dans le Tableau 2. On définit l’eau efficace, Eeff, la quantité

d’eau totale, Etot, moins l’eau absorbée par les granulats, (Eeff = Etot –Eg avec Eg=

WA24 x MG). Nous remarquons à travers les résultats obtenus à l’état frais que les

deux bétons satisfont à la maniabilité requise. Nous constatons également une

diminution de la masse volumique du béton à graviers recyclés, accompagnée d’une

augmentation du volume de l’air occlus. Pour chaque béton, des éprouvettes

cylindriques 16x32 cm ont été préparées afin de déterminer leurs propriétés

mécaniques. Les résultats des propriétés mécaniques montrent qu’à une résistance à

la compression égale, la substitution des graviers naturels par des graviers recyclés

affecte la résistance à la traction ainsi que le module d’élasticité.

Tableau 2. Proportions des compositions de bétons étudiés.

BN BR100

Dosage

Ciment (kg/m3) 360 448

Eau efficace (Eeff) (kg/m3) 180 180

Eau additionnée (Eg) (kg/m3) - 53

Sable (kg/m3) 703 930

Graviers naturels G1 (kg/m3) 346 -

Graviers naturels G2 (kg/m3) 692 -

Graviers recyclés GR1 (kg/m3) - 218

Graviers recyclés GR2 (kg/m3) - 326

Superplastifiant (l/m3) 1,25 1,25

Eeff/C 0,50 0,40

Etot/C 0,50 0,52

Volume de pâte (%) 29,6 37,8

the (kg/m3) 2280 2155

Propriétés à

l’état frais

Air occlus (%) 1,80,3 2,50,2

Affaissement (cm) 180,7 20 1,4

réel (kg/m3) 2287 3% 2159 1%

Propriétés à

l’état durci

fc (MPa) 38,6±0,9 39,2±0,5

ft (MPa) 3,6±0,3 3,0±0,4

E (GPa) 39,4±1.0 30,4±1,1


2. 1 Description des poutres étudiées

Deux poutres en béton BN et deux en BR100 ont été mises en œuvre. La section

transversale est de 20x25 cm et la longueur totale de ces poutres est de 1,70 m pour

une portée entre appuis de 1,50 m. Les poutres sont ferraillées longitudinalement

avec deux types d’armatures, 2HA14 afin de favoriser la ruine par la plastification

de l’acier tendu, et 2HA16 pour que la ruine se fasse par l’écrasement du béton

comprimé. Les caractéristiques géométriques, ainsi que le plan de ferraillages des

poutres, sont présentés sur la Figure 1. Les poutres 15x15x90 cm, destinées aux

essais cycliques en flexion 3 points, ont été ferraillées de la même manière. La

portée de ces poutres est de 80 cm.

Figure 1. Géométrie et plan de ferraillage des poutres étudiées.

2.4 Méthodes expérimentales

Les poutres ont été testées à la flexion 4 points à l’aide d’une presse 3R de

capacité de 300 kN à asservissement mécanique. Les essais de flexion 3 points ont

été réalisés à l’aide d’une presse INSTRON de capacité de 250 kN à une vitesse de

chargement de 1mm/min. La flèche à mi-portée a été mesurée à l’aide d’un

capteur de déplacement LVDT de 10 cm de course, positionné sur la fibre

inférieure.

3. Résultats expérimentaux

3. 1 Comportement global des poutres 20x25x170 cm

Au cours des essais de flexion, l’évolution de la flèche au milieu de la travée a

été suivie et les courbes sont représentées à la Figure 2. L’allure obtenue est en

accord avec les courbes théoriques disponibles dans la littérature

[MOS07][ROU09], où le comportement global est divisé en trois phases

principales. La première phase, élastique, correspond au comportement des

éléments non fissurés, la deuxième correspond au comportement des sections

fissurées, tandis que la troisième est relative à la plastification des aciers tendus. On

constate que la flèche de la poutre BR100 2HA14 est plus importante que la flèche

de BN 2HA14, en particulier lors de la phase II. Cette différence s’explique d’une

part par la différence des modules d’élasticité et d’autre part par un état de

fissuration plus important pour la poutre en béton à graviers recyclés. On constate

32èmes


que la charge de fissuration, notée FI, est plus élevée de 40% pour la poutre de

graviers naturels ; cet écart s’explique par la différence de la résistance à la traction

des deux bétons. Par ailleurs, les charges et les déplacements à la fin des phases II

et III (forces FII, FIII et déplacements II, III) sont pratiquement identiques. Le

même comportement a été observé pour les poutres renforcées avec deux barres

HA16.

Figure 2. Courbes force-flèche des poutres renforcées par 2HA14.

3. 2 Comportement global des poutres 15x15x90 cm

Les poutres 15x15x90 cm on été testées à la flexion 3 points sous chargement

cyclique, en effectuant quatre cycles de charge-décharge. La figure 4 représente

l’évolution de la flèche à mi-travée en fonction de la force appliquée. Pour les deux

bétons les poutres possèdent la même capacité porteuse avec une déformabilité plus

importante pour les poutres en béton de graviers recyclés. Les poutres renforcées

par 2HA16 ont présenté des comportements similaires.

3. 3 Etude de la fissuration

Les schémas de fissuration, tracés à la fin des essais de flexion, sont similaires

d’une manière générale pour toutes les poutres, comme l’illustre la Figure 4.a. Il est

à noter que les fissures dues au moment fléchissant (fissure entre les points

d’application de la charge) et à l’effort tranchant (fissures inclinées près des

appuis) apparaissent à des charges inférieures pour les poutres BR100 par rapport

aux poutres fabriquées du béton BN. Il a également été constaté que le nombre de

fissures augmente lorsque les graviers recyclés sont employés. Cet état

d’endommagement plus marqué est accompagné d’une diminution de l’espacement

entre les fissures, d’une augmentation de la largeur de la zone fissurée et

finalement d’une augmentation de la hauteur des fissures.


Figure 3. Courbes force-flèche en chargement cyclique des poutres

renforcées par 2HA14.

Le tableau 3 détaille l’état de fissuration à la fin des essais tandis que la figure

4.b représente l’évolution de la somme des fissures en fonction de la charge

appliquée. Lorsque le niveau de chargement est faible l’influence des granulats

recyclés n’est pas significative. Pour des charges supérieures le nombre de fissures

augmente rapidement pour les poutres en béton à graviers recyclés. L’augmentation

du nombre de fissures traduit une diminution de la rigidité au fur et à mesure de

l’augmentation de la charge et dépend de l’adhérence entre l’armature et le béton.

Figure 4. Cartes de fissuration des poutres renforcées par 2HA14.

3. 4 Modélisation de la relation Force-Déplacement

Les charges caractérisant le début de la fissuration, le début de la plastification

de l’acier tendu, et la charge ultime de résistance ont été calculées en accord avec

32èmes


Tableau 3. Détails sur la fissuration de deux poutres.

Poutre Nombre

de

fissures

Largeur de la

zone fissurée

(cm)

Espacement

moyen (cm)

Hauteur moyenne

(cm)

BN 2HA14 12 125 11 17

BR100 2HA14 15 130 7 20

BN 2HA16 11 120 10 18

BR100 2HA16 12 120 11 17

l’EC2 [EUR04], suivant les hypothèses classiques du calcul des éléments fléchis

en béton armé. Pour le calcul des flèches, la méthode proposée dans la partie 7.3.2

de l’EC2, basée sur une proportion de sections fissurées et non fissurées, a été

adoptée. Selon cette méthode, la flèche réelle d’une section est un cas intermédiaire

entre la flèche correspondant à l’état non fissuré et celle correspondant à l’état

fissuré. Pour la section la plus sollicitée, la flèche se donne par l’expression

[MOS07][ROU09]:

III yyy )1( , Équation 1

avec :

yII : la flèche en supposant la poutre fissurée, yI : la flèche en supposant la

poutre non fissurée, : un coefficient de distribution qui permet de déterminer la

proportion de sections fissurées et non fissurées. Pour un élément en flexion, ce

coefficient se calcule par l’expression suivante :

2

1 crM

M

, Équation 2

d'où :

: un coefficient qui vaut 1 pour les charges de courte durée et 0,5 pour un

chargement de longue durée ou des charges cycliques. M : moment fléchissant

agissant sur la poutre. Mcr : moment critique de fissuration déterminé d’après la

résistance à la traction du béton. Le moment de fissuration correspond à

l’apparition d’une fissure au niveau de la fibre tendue lorsque la contrainte du

béton en cette fibre est égale à la résistance à la traction ft. La courbe force-

déplacement obtenue selon l’EC2 est représentée sur la Figure 5 avec les courbes

expérimentales. On constate que l’EC2 permet de prédire la charge ultime de toutes

les poutres, ainsi que le palier de plastification de l’acier. Par contre, l’écart est

important entre les flèches théoriques et celles obtenues expérimentalement pour

les deux types du béton. Il est donc à noter que l’EC2 sous-estime la flèche au

cours de la fissuration. Ceci s’explique par le fait que l’équation 2 ne décrit pas

correctement l’état de fissuration de l’élément fléchi. En effet, la relation


précédente ne tient pas compte de l’éventuel glissement des barres d’aciers qui

semble avoir un rôle non négligeable lorsque la charge est proche de la charge

ultime.

Figure 5. Ecart entre la flèche calculée selon l’Eurocode 2 et les valeurs

expérimentales.

4. Conclusions

Le comportement à la flexion des poutres fabriquées avec un béton à graviers

naturels (BN) et d’un béton à 100% graviers recyclés (BR100) a été étudié. Les

deux bétons ont été formulés sur la base d’une résistance mécanique à la

compression C35/45. En se basant sur les résultats expérimentaux obtenus dans le

cadre du présent travail les conclusions suivantes peuvent être établies :

- à une résistance mécanique égale, le béton de graviers recyclés a une résistance à

la traction et un module d’élasticité inférieurs à ceux du béton de graviers naturels.

- les poutres en béton de graviers recyclés ont montré une résistance ultime

légèrement inférieure aux poutres fabriquées en béton de graviers naturels et une

flèche plus importante.

- Pour le calcul des flèches, la méthode proposée par l’EC2 ne permet pas de

reproduire correctement les déplacements expérimentaux.

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Comportement à la flexion des poutres en béton armé à base de graviers recyclés