Développement d’un banc d’essai de retrait empêché :

Développement d’un banc d’essai de retrait empêché :

relation entre formulation et fissurabilité des bétons au jeune âge

A. MESSAN, P. IENNY, C. BUISSON, P. COUTURIER, P. SLANGEN, J.S. WIENIN

Ecole des Mines d’Alès,

Centre des Matériaux de Grande DiffusionEMA/CMGD

CFM, Marseille, 24-28 Août 2009

Introduction

Contexte Un problème matériau :

Sensibilité à la fissuration prématurée (BHP/BUHP) Esthétisme Durabilité (Sulfates, chlorures, eau, oxyde de carbone…) Economique (opérations de réparation)

Baron, 1990

2

Introduction



Un problème mécanique:Fissuration au cours du retrait (contrainte interne de traction)

Les données en termes de… Retrait « libre », Comportement/Résistance à la fissuration (évolutifs)

…sont insuffisantes (viscoélasticité relaxe les contraintes internes)

Prise

00

6 9 123

2

4

00

6 9 123

2

4

00

6 9 123

2

4

00

6 9 123

2

4

temps (h)déf

orm

atio

n (

%)

Retrait plastiqueCapacité de déformationfissuration

Ziad Bayasi, 20023

Introduction



Un problème mécanique:Fissuration au cours du retrait (contrainte interne de traction)

Les données en termes de… Retrait « libre », Comportement/Résistance à la fissuration évolutifs

…sont insuffisantes (viscoélasticité relaxe les contraintes internes)

Nécessité d’étudier le retrait/comportement au très jeune âge du béton pour des conditions dites de retrait « libre » et

« empêché »

Développement d’un essai de fissuration : Maîtrise des Conditions aux limites d’empêchement Mesure directe de l’évolution de la contrainte interne de traction Mesures indirectes du fluage et de la réponse élastique

4

Plan : Développement d’un essai de fissuration :

Choix géométrique et dimensionnement Principe du double asservissement (maîtrise des C.L.) Calibration et sensibilité

Matériau BHP Formulation et caractéristiques

Essai de retrait empêché Reproductibilité Résultats et analyse d’un essai sur 24h

Conclusion perspective

5

Moyens d’essais existants : Géométrie d’essai:

Éprouvette prismatique

Av. : Sollicitation de traction simple

Inc. : Concentration de contraintes dans les zones de préhension

Développement d’un essai de fissuration

Igarashi S., 2000

6


Éprouvette prismatique Eprouvette annulaire

Av. : conditions d’empêchement aisée, sollicitation uniforme

Inc. : gradient de contrainte orthoradiale


Lamour V., 2003

7



Conditions d’empêchement Système dit « passif » (basé sur la rigidité du bâti)

Inc. : mesure de la int au prix d’un compromis sensibilité/C.L. Système dit « actif » (maintien de la condition géométrique)

Inc. : dispositif complexe avec boucles d’asservissement

Av.: adapté à la mesure de int


8



Conditions d’empêchement Systèmes dit « passif » (basé sur la rigidité du bâti)

Inc. : mesure de la int au prix d’un compromis sensibilité/C.L. Systèmes dit « actif » (maintien de la condition géométrique)

Inc. : dispositif complexe avec boucles d’asservissement

Av.: adapté à la mesure de int

Dispositif adopté Géométrie annulaire limiter le gradient

Système actif régulation adaptée à la sensibilité souhaitée sur int


9

Schéma de principe de l’essai :

Paramètres contrôlés Pression interne : servovalve (10 bars max.) vérin souple polyuréthane Géométrie de l’anneau : électronique (ponts de j.) jauges de déformation


rr

Plateau supérieur

Plateau inférieur

vérin souple

échantillon

P

Arrivée d’air (10 bars)Jauges de déformation

10

Dimensionnement de l’essai :

Contraintes radiale et orthoradiale (Pb. MMC 1 composant)


p

Ri

Re

er

ez

ez

er

e

2

2e

2i

2e

2i

2

2e

2i

2e

2i

rrr

R1

RR

Rp;

r

R1

RR

Rp

11


Contraintes radiale et orthoradiale (Pb. MMC 1 composant)

État de contraintes ni homogène, ni uniaxial


p

Ri

Re

er

ez

ez

er

e

2

2e

2i

2e

2i

2

2e

2i

2e

2i

rrr

R1

RR

Rp;

r

R1

RR

Rp

2

e2i

2e

2i

i

irr2

2i

2e

e

i1

RR

RR

R

RA

1R

R

2

11

R

RA

A1=0 traction homogène

A2=0 traction uniaxiale

Indicateurs

12


Essais normalisés sur béton section 70x70 mm2

Indicateurs d’homogénéité (A1) et d’uniaxialité (A2) des contraintes


p

Ri

Re

er

ez

ez

er

e

Ri = 500 mm, Re = 570 mm

Auteurs A1 (%) A2 (%)

HOSSAIN A.B. (2004) 63 38

LAMOUR V. (2003) 30 23

TURCRY P. (2004) 43-84 30-46

MESSAN A. (mortier 2006) 25 22

MESSAN A. (2008) 15 13

Ri = 250 mm, Re = 290 mm

13

Dimensionnement de l’essai : Homogénéiser la pression sur la paroi interne Mesurer l’écart au Rayon intérieur initial Assurer un coffrage du béton frais


Paroi interneParoi interne

Feuille de transfert métallique

14

Dimensionnement de l’essai : Homogénéiser la pression sur la paroi interne Mesurer l’écart au Rayon intérieur initial Assurer un coffrage du béton frais

Calcul de l’épaisseur de la tôle de transfert (Pb. MMC 2 composants): e = R - Ri


Paroi interneParoi interne

Feuille de transfert métallique

p

R

Re

er

ez

ez

er

e Ri

Epaisseur tôle 2 mm

Contrainte tôle 39.0 MPa

Contrainte béton 8.7 MPa

Pression dans le vérin 14.8 bars

Résolution contr. Interne 0.01 MPa

Résolution sur les jauges 2.06 10-7

Résolution pression vérin 0.015 bars

Contr. tôle, (rupture anneau) 368.4 MPaSi rupture de l’anneau de béton 15

Retrait empêché : principe et régulation


5m/m

Temps d’essai

Déf

orm

atio

n

0

Pre

ssio

n 0tttt fluageretraitélastiquetotal

fluageretrait

élastique

Essai de retrait libre

fluage

retrait

Cycle de compensation :

•Régulation en pression

•Régulation en déformation

Endommagement?

16

Retrait empêché : calcul de int


0tttt fluageretraitélastiquetotal

fluageretrait

élastique

retrait

tt

tavecttE

télastique

fluagefluage

tt1tE

t retraittotal

t1

tEtEavect

tEt effretrait

efftotal

coefficient de fluagemodule sécant

module sécant réduit

(Bazant Z.P., 1972)

(Gilbert R.I., 1988)

Coefficient de vieillissement 0,6-0,9 pour le béton durci; 0,9-1 pour le béton jeune

tt1

tEt'E eff

tRtCF tt'Et retraiteff Coefficient de fissuration:17

Retrait empêché : principe et régulation

Servovalve pilotée numériquement assureRégulation en pression/déformation


Air

co

mp

rimé

(1

0 b

ars

)

S V V

jauges de déformation

CP

PID

PID

P=Cte

0Logiciel de pilotage (Labview NI)

Anneau de béton18

Calibration et sensibilité : en l’absence d’anneau de béton

Déséquilibre en déformation (simulation d’un retrait) Alternance entre phases de compensation/repos


-80

-60

-40

-20

0

20

40

1500 2000 2500 3000 3500

Temps (s)

µ-d

éfo

rmat

ion

55

60

65

70

75

80

_o

rth

o t

ôle

(M

pa)

p = 2.17 bars p = 2.51 bars

Régulation en pression

Régulation en déformation

Réponse élastique de la tôle

19

Calibration et sensibilité :

Simulation d’un déséquilibre en déformation (…retrait) Réponse élastique de la tôle d’acier (calcul MMC, 1 composant)


67

68

69

70

71

72

73

74

-55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20

µ-déformation (x10E-6)

Co

ntr

ain

te o

rth

ora

dia

le (

MP

a)

Etôle = 192 GPa

20

Formulation et caractéristiques

Mise en œuvre : E/C = 0.37 Sable (JOFFRE) granulométrie 0/4 mm Gravillons de granulométrie 4/8 mm Ciment CEM I 52,5 N CE CP2 NF (surface spécifique de 438 m2/kg)

Coefficient d’étalement : 80 cm Masse volumique : 2456 kg/m3

Résistance à la compression à 24h : 49.8 MPa

Matériau BHP

Constituants Kg/m3

Eau 163

ciment 505

Sable 572

Fumée de silice 67

Gravillon 1080

Super plastifiant 1.5% (/poids ciment + Fumée de silice)

21

Reproductibilité

Sur la base de la formulation précédente %HR = 50%, température = 22°C

Choix du seuil en déformation : 3µdef < seuil < 6µdef

0.02 MPa < Sensibilité en contrainte < 0.05 MPa

à la prise du béton 0.13 MPa

Essai de retrait empêché

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 2 4 6 8Temps (heures)

co

ntr

ain

te o

rth

ora

dia

le (

MP

a) essai 2 (seuil 3µdef)

essai 1 (seuil 4-6µdef)

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 2 4 6 8Temps (heures)

déf

orm

atio

n c

um

ulé

(x

10-6

)

essai 2 (seuil 3µdef)

essai 1 (seuil 4-6µdef)

22

Résultats et analyse d’un essai sur 24h %HR = 50%, température = 22°C, seuil en déformation : 3µdef


0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 5 10 15 20 25

Temps (heures)

co

ntr

ain

te o

rth

ora

dia

le (

MP

a)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Dé

form

atio

n c

um

ulé

e

Période dormante(béton à l’état frais)

Hydratation / cohésion (prise du béton)

23

Essai de retrait libre (éprouvette prismatique) Sur la base de la formulation précédente

Éprouvette prismatique

(320 x 70 x 70 mm3) Mesure du retrait (LVDT)


•Période dormante similaire•Accommodation importante de la contrainte interne par fluage

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0 5 10 15 20 25

Temps (heures)

déf

orm

ati

on

(x1

0-6

)

libre (test normalisé)

empêché (test anneau)Flu

age

24

Conclusions Étudier la fissuration prématurée des bétons (avant prise) Développement d’un essai de retrait empêché du type « actif »

Sensibilité adaptée à la mesure de contrainte interne faible (état frais) régulation adaptée au respect de la condition d’empêchement

Validation sur une formulation type BHP Période dormante non négligeable Importante déformation de fluage sous chargement graduel

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Conclusions Étudier la fissuration prématurée des bétons (avant prise) Développement d’un essai de retrait empêché du type « actif »

Sensibilité adaptée à la mesure de contrainte interne faible (état frais) régulation adaptée au respect de la condition d’empêchement

Validation sur une formulation type BHP Période dormante non négligeable Importante déformation de fluage sous chargement graduel

perspectives Mise en place d’une base expérimentale (essais de retrait libre/empêché)

comportement évolutif au très jeune âge (rhéologie et mécanismes de fissuration)

évolution contrainte à rupture (effet de l’hydratation, du retrait et de int)

Influences des ajouts (↑ la contrainte à rupture, ↓ le retrait, ↑ le fluage?...)

Modélisation analytique comportement viscoélastique endommageable au très jeune âge Aide au dimensionnement des ouvrages GC26

Documents

Développement d’un banc d’essai de retrait empêché :