Chapitre 004 - Les Betons.pdf

8/13/2019 Chapitre 004 - Les Betons.pdf

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F. Gabrysiak - Matriaux - Les Btons - Chapitre 4 1

chapitreLES BETONS4

Comme les roches naturelles, le bton possde une grande rsistance la compression et une faible rsistance latraction. Cest pourquoi son utilisation comme matriau de construction, qui remonte aux Romains, ne sest vritablement

dveloppe quavec linvention du bton arm. Dans ce dernier, des armatures, cest--dire des barres en acier (initialementen fer), pallient son insuffisante rsistance la traction.Linvention du bton arm est gnralement attribue Joseph Lambot, qui, en 1848, fit flotter une barque en ciment

arm, et Joseph Monier, qui construisit indpendamment, grce ce matriau, des bacs fleurs en 1849. Lemploi du btonarm dans les structures stend ds lors rapidement en France sous limpulsion de Joseph Monier, mais aussi de Coignet, deFranois Hennebique et de Armand Gabriel Considre. Ds 1906, une circulaire ministrielle fixe des 'Instructions relatives lemploi du bton arm', codifiant ainsi pour la premire fois la conception et le calcul des ponts et des btiments avec cematriau.

Un nouvel essor est apport par linvention, vers 1930, du bton prcontraint par Eugne Freyssinet. Un pas conceptuelimportant est alors franchi, qui constitue une vritable rvolution dans lart de construire, tant par la mise en pratique de lanotion de prcontrainte que par lapprofondissement de la comprhension du comportement mcanique et rhologique dubton. Lutilisation de la prcontrainte autorise, en effet, la matrise de la distribution des contraintes dans la matire. Ellepermet, en particulier, de tirer profit de la grande rsistance la compression du bton tout en vitant les inconvnients dus

sa faible rsistance la traction.La reconstruction qui suit la Seconde Guerre mondiale voit la gnralisation de lemploi du bton prcontraint pour la

ralisation des ouvrages dart franais. Yves Guyon et Pierre Lebelle prcisent alors les principes de calcul des structuresprcontraintes et mettent la disposition des ingnieurs les mthodes ncessaires leur conception. La SocitTechniquepour lUtilisation de la Prcontrainte (STUP) met en uvre les ides novatrices et les brevets dEugne Freyssinet et donneune forte impulsion au dveloppement de lemploi du bton prcontraint dans le monde.

Les recherches menes depuis 1970 sur le bton, et particulirement sur ses constituants actifs, conduisent un nouveaubond qualitatif et quantitatif de ses proprits. Aux tats-Unis et au Japon, on fabrique et on met en uvre, dans les annes1980, des btons hautes performances dont la rsistance la compression atteint 100 MgaPascals (MPa) (environ 1000kg/cm), et mme 140 MPa (1400 kg/cm) dans un immeuble Seattle aux tats-Unis. En laboratoire, on obtient, dores etdj, des rsistances suprieures 600 MPa (6000 kg/cm).

Bien que toujours composs de ciment, de granulats et deau, les btons hautes performances sont des matriaux

nouveaux qui possdent des proprits mcaniques leves, associes une grande durabilit. Les amliorations apportespar lindustrie des liants hydrauliques la qualit des ciments, la mise au point dadjuvants spcifiques de synthse ainsi quelemploi dultrafines ont permis ce progrs spectaculaire.

1. GENERALITESLe bton se compose de ggrraannuullaattss(sables, graviers, cailloux) 'colls' entre

eux par un lliiaanntt hhyyddrraauulliiqquuee : le cciimmeenntt. Lorsque le ciment se trouve en

prsence d'eau, il fait pprriissee, puis durcit progressivement. Un bton hydraulique

est constitu :

d'une pte pure (ciment + eau),

d'un mlange granulaire, de produits additionnels (adjuvants, additions minrales, ...).

On dsigne habituellement sous le vocable :

de matrice ou de mortier : le mlange (liant + eau + sable),

de squelette solide ou de squelette granulaire : le mlange des

granulats.

ciment

eau

air


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LLeecciimmeennttest un liant hydraulique qui se prsente sous la forme dune poudre minrale fine shydratant en prsence deau.

Il forme une pte faisant prise qui durcit progressivement lair ou dans leau. Cest le constituant fondamental du bton

puisquil permet la transformation dun mlange sans cohsion en un corps solide (cf. cours sur les ciments).

LLeess ggrraannuullaattss (sables, gravillons) constituent le squelette du bton. Ils doivent tre chimiquement inertes vis--vis du

ciment, de leau et de lair. Les formations gologiques partir desquelles il est possible de produire des granulats bton

peuvent tre dorigine dtritique (essentiellement alluvionnaire), sdimentaire, mtamorphique ou ruptive. Selon leur origine, on

distingue les granulats rouls, extraits de ballastires (ou sablires) naturelles ou dragus en rivire ou en mer, et concasss,

obtenus partir de roches exploites en carrire (cf. cours lments de gologie).On utilise en gnral, pour les ouvrages courants, des granulats constitus uniquement par du sable et des gravillons.

On emploie galement des granulats lgers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqus partir de matires minrales,

comme les argiles, les schistes (argiles expanses) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication

de btons de structure lgers, dont la rsistance peut atteindre de 40 50 MPa. Les seconds servent la fabrication de parois

en bton trs lger, fort pouvoir disolation thermique. Le poids volumique apparent de ces granulats varie denviron 0.6 8

kN/m3. Malgr leur intrt technique, leur cot nergtique de fabrication en rduit lemploi des applications particulires. Les

granulats lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minraux naturels comme la magntite, la limonite ou la

barytine. Ils sont utiliss dans les btons destins assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids

volumique apparent varie de 30 50 kN/m3.

LLeessaaddddiittiioonnssmmiinnrraalleess((uullttrraaffiinneess))sont des particules de faibles dimensions qui, ajoutes en quantits de lordre de 10%

du poids de ciment, amliorent notablement les performances et la durabilit du bton grce leurs proprits physico-

chimiques (cendres volantes, laitier, fillers, ...). Les fumes de silice, ou microsilices, sont les plus utilises, ce sont des oxydes

de silicium structure amorphe en forme de microsphres de diamtre de lordre de 10 m.

LL''eeaauu::de faon gnrale, leau de gchage doit avoir les proprits de leau potable. Il est exclu demployer de leau de

mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication de btons arms ou prcontraints.

LLeessaaddjjuuvvaannttsssont des produits chimiques incorpors au bton frais en faibles quantits (en gnral moins de 3% du poids

de ciment, donc moins de 0.4% du poids du bton) afin den amliorer certaines proprits. Leur efficacit est lie

lhomognit de leur rpartition dans la masse du bton. Les principaux adjuvants sont :

lleessppllaassttiiffiiaannttss, qui jouent un double rle. Ils permettent, dune part, dobtenir des btons frais consistance

parfaitement liquide, donc trs maniables, par dfloculation des grains de ciment. A maniabilit donne, ils offrent,

dautre part, la possibilit de rduire la quantit deau ncessaire la fabrication et la mise en place du bton.

La rsistance du bton durci peut ainsi tre notablement augmente. La dure daction de ces adjuvants est de 1 3 heures,

lleessrreettaarrddaatteeuurrssde prise du ciment, qui prolongent la dure de vie du bton frais. Ils trouvent leur utilisation

dans le transport du bton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps

chaud. Ils sont aussi employs pour viter toute discontinuit lors de reprises de btonnage,

lleessaaccccllrraatteeuurrssde prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la ralisation de scellements

ou dtanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de rsistance au bton durci,

lleess eennttrraanneeuurrss ddaaiirr, qui confrent au bton durci la capacit de rsister aux effets de gels et de dgels

successifs en favorisant la formation de microbulles dair rparties de faon homogne. Le volume dair occlus

doit tre de lordre de 6% de celui du bton durci.

2. OUVRABILITELL''oouuvvrraabbiilliittccaarraaccttrriisseell''aappttiittuuddeedd''uunnbbttoonn((ffrraaiiss))rreemmpplliirrlleessccooffffrraaggeess,,eetteennrroobbeerrccoonnvveennaabblleemmeennttlleessaarrmmaattuurreess..EElllleeddooiitt

ddoonnccttrreetteellllee,,qquueelleebbttoonnssooiittmmaanniiaabblleeeettqquu''iillccoonnsseerrvveessoonnhhoommooggnniitt..

22..11IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

L'ouvrabilit est caractrise par une grandeur reprsentative de la ccoonnssiissttaannccee du bton frais. Dans le cas de btons

classiques, elle est principalement influence par :

la nature et le dosage du liant,

la forme des granulats,

la granularit, la granulomtrie,

le dosage en eau.


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Le rle de l'eau est prpondrant pour

l'ouvrabilit du bton frais et sur les proprits du

bton durci :

L'eau donne au bton sa maniabilit, d'une

part par son action lubrifiante sur les

diffrents grains, d'autre part par la cohsion

due la pte provoque par l'association desgrains fins (ciment et fines) avec elle.

L'eau permet l'hydratation du ciment et

donc le durcissement du bton. Rappelons

qu'un ciment Portland demande environ 25%

de son poids en eau pour s'hydrater

compltement (sous rserve des problmes

de flocs et d'expansion. voir cours Les

Ciments). Toute variation de la quantit

d'eau entrane des modifications de la

vitesse de durcissement et des

performances mcaniques.

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

100% de Rc

Rc en MPa

E/C

rsistance la compression Rc sur cylindreen fonction du rapport eau/ciment (E/C)

65% de Rc

Bton : CPA-CEM I 32.5, C = 350 kg/m

3, D = 20 mm, granulats siliceux concasss G = 1050

kg/m3S = 685 kg/m

3

A dosage en ciment et en granulat constant pour un serrage adapt la consistance, une

variation de E/C de 0.15 conduit une chute de rsistance de l'ordre de 35%

Le dosage en eau ne peut pas tre augment au del d'une certaine valeur afin d'amliorer l'ouvrabilit sans entraner

des inconvnients. Les consquences d'un excs d'eau sont :

risque de ressuage1, augmentation du retrait,

augmentation de la porosit, dfectuosit du parement : bullage,

risque de sgrgation des constituants du bton, etc ...

diminution de la compacit et corrlativement des rsistances,

LLeeddoossaaggeeeenneeaauuddooiittddoonnccttrreelliimmiittaauu''jjuusstteenncceessssaaiirree''ll''hhyyddrraattaattiioonndduulliiaanntteettaauuxxeexxiiggeenncceessdd''oouuvvrraabbiilliitt..

TTEENNEEUURREENNEEAAUUDDEESSBBEETTOONNSS

Si la quantit d'eau est insuffisante pour former une fine pellicule lubrifiante autour de chaque grain, la mise en place

et le serrage du bton sont mal assurs. Il reste alors, en surface et l'intrieur du bton, des poches d'air et des pores

qui affectent les proprits du bton durci telles que l'tanchit, la rsistance au gel, l'aspect de surface... De plus, dans

ce cas, I'hydratation des grains de ciment est incomplte et les fins cristaux rsultant de l'hydratation sont en quantit

insuffisante pour combler correctement les petits interstices existant entre les grains. Les rsistances mcaniques et aux

intempries ne sont pas bonnes ce qui affecte considrablement la durabilit.

Si la quantit d'eau est excdentaire, ce sont des 'vides d'eau' qui se forment partir de l'eau excdentaire reste

dans la masse du bton, en particulier sous la forme d'une paisse pellicule d'eau entourant chaque grain et surtout les

grains fins.

Aprs durcissement et vaporation de l'eau excdentaire, il se forme des vides qui affaiblissent la structure du bton

et affectent les proprits du bton durci. Les cristaux forms lors de l'hydratation des grains de ciment doivent couvrir

des distances importantes (par rapport leurs dimensions) pour s'enchevtrer ce qui entrane une progression plus lente

des rsistances, des rsistances finales affaiblies et une forte porosit de la pte.

La teneur en eau des btons utiliss dans l'industrie du bton se situe dans une plage relativement large : 4 12%.

Pour chaque type de bton, elle est dtermine par les conditions de mise en oeuvre, et de performances atteindre de

l'lment ralis. Pour une production donne de bton, la teneur en eau doit tre la plus rgulire possible et la

variation de la teneur en eau, autour de la valeur moyenne, doit tre la plus petite possible. En rgle gnrale, dans une

centrale BPE, on admet que pour les variations ci-dessous pour 1 tonne de bton frais :

2 litres pour les btons fermes (0.20%), 3 litres pour les btons plastiques ou fluides (0.30%).

ccff..ffiicchheedduummooddeeoopprraattooiirreeddttaaiillll

1cration d'un film d'eau la surface de l'lment en bton, gnrateur de faenage aprs vaporation


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22..22EESSSSAAIIAAUUCCOONNEEDD''AABBRRAAMMSS

NFP 18-451

Cet essai, consiste mesurer la hauteur d'affaissement d'un volume tronconique de bton frais.

ENV 206 NFP 18-305 et fascicule 65A CCTG

Consistance Affaissement (mm) Consistance Affaissement (cm) tolrances

S1 10 40 Ferme (F) 0 4 1 cm

S2 50 90 Plastique (P) 5 9 2 cm

S3 100 150 Trs Plastique (TP) 10 15

S4 160 210 Fluide (F) 163 cm

S5 220

22..33EESSSSAAIIDD''EECCOOUULLEEMMEENNTTAAUUMMAANNIIAABBIILLIIMMEETTRREELLCCPPCC

NFP 18-452

Cet essai consiste mesurer le temps d'coulement ncessaire un volume de bton soumis des vibrations pour

atteindre un repre donn. Une partie de la cuve tant remplie avec du bton, le soulvement paroi mobile permet de

dclencher la mise en vibration de l'ensemble de l'appareil.

classe de consistance dure (en s)

Ferme t 40

Plastique 20 < t 30

Trs Plastique 10 < t 20

Fluide t 10


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0 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s

5 cm

10 cm

15 cm

dure d'coulement en secondes

affaiss

ementencm

Relation entre l'essai au cneet l'essai au maniabilimtre LCL

300 400 500

5 cm

10 cm

15 cm

talement en mm

affaissementencm

Relation entre l'essai au cneet l'essai dtalement

22..44EESSSSAAIIDD''EETTAALLEEMMEENNTT

prEN 12350-5

Cet essai simple raliser, est trs utilis pour apprcier la consistance des btons fluides (surtout en Allemagne). Il n'est

pas adapt pour les btons fermes et la dimension maximale des granulats ne doit pas dpasser 40 mm.

La consistance du bton est estime par l'talement d'un cne (moule tronconique de 200 mm de haut, de diamtre 200 mm

sa base et 130 mm sa partie suprieure) de bton dmoul sur une table chocs. Ce cne de bton est soumis son

propre poids et une srie de secousses. Plus l'talement est grand et plus le bton est rput fluide. Le moule tronconique

plac au centre du plateau carr est rempli par 2 couches de bton, compact par 10 coups de pilon. Aprs arasement le moule

est retir verticalement. Puis le plateau est soulev de 40 mm jusqu' la bute et relch immdiatement 15 fois de suite en 15

secondes.

classe de consistance diamtre d'talement (mm)

F1 340

F2 350 410

F3 420 480

F4 490 550

F5 560 620

F6 630


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22..55LLEESSAAUUTTRREESSEESSSSAAIISS--CCOOMMPPAARRAATTIIFF

essais principeparamtre

mesurschma

plages

recommandes

de mesures

commentaires

EEssssaaiidd''aaffffaaiisssseemmeenntt

NFP 18-451

prEN 12350-2

Moulage d'un tronc de cne

de dimensions normaliss et

mesure aprs dmoulage de

son affaissement.

Affaissement

(S)

20 S 160 mm mal adapt aux btonsfermes ou fluides

Dmax< 40 mm

rptabilit justesuffisante

EEssssaaiidd''ttaalleemmeenntt

prEN 12350-5

Dmoulage d'un cne sur

une table chocs manuels et

mesure de l'talement.

Diamtre

d'talement

(F)

340 F 360 mm mal adapt aux btonsfermes ou trs fluides

Dmax< 40 mm

rptabilit juste

suffisante

DDeeggrrddee

ccoommppaaccttaabbiilliitt

prEN 12350-4

Evaluation du degr de

compactabilit exprim par le

rapport entre un volume de

bton avant et aprs

compactage.

Taux

(C)

mmh

Sh

hC

4001

1

1

=

=

C 1.11

mal adapt aux btons

fluides

Dmax< 40 mm

EEssssaaiiVVbb

prEN 12350-5

Mesure du temps mis par un

cne de bton frais pour se

remouler dans un moule

cylindrique sous l'action

d'une vibration

dure

(t)

5 s t 30 s

mal adapt aux btons

fluides

Dmax< 40 mm

EEssssaaiidd''ccoouulleemmeenntt(maniabilimtre)

NFP 18-452

Mesure du temps

d'coulement sous vibrationdure

(t)

4 s t 100 s

non adapt aux

btons fluides

Dmax< 40 mm

bonne rptabilit

TTeessttCC..EE..SS

G. Dreux

Remplissage de bton dans

un moule muni d'un

quadrillage d'armatures

distant d'une plaque

transparente. Mesure du

nombre de chocs

ncessaires recouvrir la

vitre.

choc

(N)

peu utilis sauf au

Centre d'Essais des

Structures (CSTB)

WWaattttmmttrree Apprciation de laconsistance par

enregistrement de la

puissance absorbe du

malaxeur.

puissance

(Watt)

sur certaines

installations

industrielles

PPllaassttiicciimmttrree

rroottaattiioonnss

Evaluation de la rsistanceau cisaillement d'un bton

par la mesure d'un couple.

viscosit peu utilis car trsmauvaise rptabilit

BBTTRRhhoomm

LCPC (F. de Larrard)

Cisaillement d'un chantillon

de bton pour diverses

vitesses de rotation, sous

l'action d'une vibration ou

non. Contrle de l'essai et

exploitation des mesures via

une centrale d'acquisition

seuil de

cisaillement

et

viscosit

bien adapt aux

btons fluides

Dmax< 25 mm

essai d'avenir ...


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La dtermination (ou la vrification de la conformit) de

la rsistance caractristique (fcj) selon le fascicule 65A du

CCTG par exemple, exige des mesures de rsistances

partir d'un minimum de 3 prlvements de 3 prouvettes.

(AAtttteennttiioonn : en fonction des textes normatifs pris enrfrence 'ENV206, NFP 18-305, Fascicule 65A', la

dtermination de la rsistance caractristique peut tre

lgrement diffrente; cependant les principes de calculs

sont similaires).

ccff..cchhaappiittrreeccoonnssaaccrr

1

0,5

p

valeur d'ordre p valeur moyenne

valeur du caractre

fonction

de

rpartition

fonction

de

distribution

Valeur Caractristique d'ordre p

En premire approche, on peut dfinir fcj l'aide des 2 inquations ci-dessous :

fcjfm 1.2sffcjRimini+ 4 MPa

valeur moyennefck rsistance

k.s

Dans le cas courant, pour l'tablissement des projets, la rsistance de rfrence est prise 28 j. (fc28). Cette valeur fc28est

souvent dfinit par dfaut, en fonction des exigences du CCTP et des conditions de fabrication (cf. Tableau ci-dessous BAEL

B.1.1). Dans le cas o les documents d'un march le permettent, une entreprise peut laborer une composition de bton

particulire. Dans ce cas, une tude en laboratoire poursuivie par des essais de convenance peut tre ncessaire selon les

conditions du march.

Dosage en ciment en kg par m

3

de bton Rsistances caractristiquesClasse 32.5 et 32.5 R Classe 42.5 et 42.5R fc28 ft28

CC AS CC AS en MPa en MPa

300 -- -- -- 16 1.56

350 325 325 300 20 1.80

-- 400 375 350 25 2.10

CC : conditions courantes de fabrication AS : auto contrle surveill

LLAARREESSIISSTTAANNCCEECCAARRAACCTTEERRIISSTTIIQQUUEE((ffccjj))tant toujours infrieure la valeur moyenne, il en rsulte que lors de la

fabrication, la rsistance moyenne vise doit tre suprieure d'au moins 15% fcj.

rsistance

fc28=25MPa

fm=

1.1

5fc28

=29MPa

fm=

1.3

fc28

=33MPa

fabrication controleproduction rgulire

fabrication mal controleproduction irrgulire

valeurs moyennes visespar le chantier

valeur lorsde l'tablissement

du projet


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33..1111EEVVOOLLUUTTIIOONNDDEELLAARREESSIISSTTAANNCCEEDDAANNSSLLEETTEEMMPPSS

Dans les cas courant (voir paragraphe traitant de la maturomtrie : loi d'Arrhnius), on considre que la rsistance du bton

volue dans le temps trs rapidement court terme (entre 0 et 7 j), puis ralentie (de 7 28 j) pour tendre vers une asymptote

horizontale partir de 60 jours. Pour la rfrence en temps de 28 jours prise dans les calculs, on considre que le bton a

atteint, cet ge, 90% de sa rsistance long terme. L'article A 2.1.11 du BAEL 91 donne les formules suivantes afin d'estimer

les rsistances du bton en fonction du temps :

court terme

moyen terme long terme

prise 1j-3j28j

Age

Rc

Evolution schmatique de l'volutiondes rsistances la compression dans le temps

pour j 28- si fc2840 MPa alors 28

83.076.4cx

xcj f

j

jf

+=

- si 60 MPa >fc28> 40 MPa alors 2895.040.1

cx

xcj f

j

jf

+=

pour 28 < j 60on adopte la premire formulation

pour j > 60on a fcj= 1.10xfc28

En premire approximation, on peut considrer : )1(log..685.0 1028 += jff ccj

33..1122PPAARRTTIICCUULLAARRIITTEESSDDEELL''EESSSSAAIIDDEECCOOMMPPRREESSSSIIOONNEETTAANNAALLYYSSEESSDDEELLAARRUUPPTTUURREE

ccff..ffiicchheedduummooddeeoopprraattooiirreeddttaaiillll

Pour des rsistances suprieures 60 MPa, la

rupture peut tre assez brutale, dans les autres cas

l'prouvette rompt par 'affaissement' sur elle mme. Dansce type de rupture, 2 cnes apparaissent aux extrmits

(diabolos) de l'prouvette rompue. La pression exerce

par les plateaux de la presse la jonction avec

l'prouvette gne les dformations transversales dans

cette zone. Dans la partie centrale, la dformation

transversale est libre; elle rsulte des contraintes de

traction perpendiculaires la compression (et la

fissuration). Ce sont ces contraintes de traction

F

F

zones de frettage

F

zones de frettage

F

qui provoquent la fissuration longitudinale de l'prouvette ainsi que sa ruine en partie centrale, alors que les extrmits

protges par le frettage cr par les plateaux de la presse ne sont pas dtruites.

QQuueellqquueessrruuppttuurreessssiinngguulliirreess

types ruptures correctes


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types ruptures incorrectes

33..22RREESSIISSTTAANNCCEESSCCAARRAACCTTEERRIISSTTIIQQUUEESSAALLAATTRRAACCTTIIOONN

La rsistance la traction (ftj) est conventionnellement dfinie par le BAEL [A.2.1,12] pour fcj< 60 MPa : f ftj cj= +0 6 0 06, , .

pour fcj60 MPa :3/2

275.0 cjxtj ff =

ccff..ffiicchheessddeessmmooddeessoopprraattooiirreessddttaaiillllss

TTRRAACCTTIIOONNPPAARRFFEENNDDAAGGEE((EESSSSAAIIBBRREESSIILLIIEENN))NNFFPP1188--440088

L'essai consiste craser un cylindre de bton suivant 2 gnratrices opposes, entre les plateaux d'une presse.

C'est l'essai de rfrence au sens du BAEL et du fascicule 65A du CCTG.

Q : charge de rupture

: diamtre de l'prouvetteL : longueur de l'prouvette

L

QRt

..

.2

=

H0.8H

Q

Q

C

C

T


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TTRRAACCTTIIOONNPPAARRFFLLEEXXIIOONNNNFFPP1188--440077Les prouvettes sont de dimensions : 7x7x28 ou 10x10x40

F

a

a

3a

4a

a

3

a

FRt=

Commentaire : La formule ci-dessus suppose que le matriau a un comportement lastique linaire. Aussi, certains

auteurs proposent un coefficient correcteur de 0.6 pour obtenir la contrainte de traction pure :

RM

I v

M

a

F

a

x RF

a

t t= = = = ( / )

. ..

.6 30 60

1 83 2 2

Le coefficient correcteur de 0.6 provient du fait que la loi de Hooke lorsque l'on approche de la charge de rupture

n'est plus applicable. Voir le diagramme de rpartition de contraintes ci-dessous.

T

C

33..33EESSSSAAIISSNNOONNDDEESSTTRRUUCCTTIIFFSS

Les mthodes normalises utilises pour valuer la qualit du bton dans les btiments ou les ouvrages ne prennent encompte que des essais destructifs sur des prouvettes coules au mme moment. Les principaux dsavantages de cesmthodes sont les suivants : les rsultats ne sont pas obtenus immdiatement, le bton des prouvettes peut tre diffrent decelui de l'ouvrage car la cure ou le serrage peuvent tre diffrents, les rsistances des prouvettes dpendent galement deleurs dimensions et de leurs formes.

Plusieurs mthodes non destructives d'valuation ont t mises au point. Ces mthodes sont bases sur le fait quecertaines proprits physiques du bton peuvent tre relies la rsistance et peuvent tre mesures par des mthodes nondestructives. Ces proprits physiques du bton comprennent la duret (capacit de rebondissement), la capacit detransmettre les ultrasons, la capacit rsister l'arrachement, ...

ccff..ffiicchheessddeessmmooddeessoopprraattooiirreessddttaaiillllss

33..3311EESSSSAAIISSCCLLEERROOMMEETTRRIIQQUUEENNFFPP1188--441177

L'essai au sclromtre est destin mesurer la duret superficielle du bton et il existe une corrlation empiriqueentre la rsistance et l'indice sclromtrique. Des tudes ralises au LCPC ont montr que la corrlation peut prendre

la forme : cIbIaR ssc ++= .. 2 . Le sclromtre convient aux essais en laboratoire comme aux essais sur chantier. Une

masse commande par un ressort se dplace sur un plongeur dans un tube de protection. La masse est projete contrela surface de bton par le ressort, et l'indice sclromtrique est mesur sur une chelle. La surface sur laquelle l'essaiest effectu peut tre horizontale, verticale ou tout autre angle, mais la corrlation devra prendre en comptel'inclinaison de l'appareil par rapport cette surface.

L'appareil doit tre correctement talonn et il est souhaitable afin que les rsultats soient reprsentatifs qu'unecorrlation partir d'essais destructifs sur prouvettes soit pralablement ralise (dtermination de fuseaux decorrlation).

Limites et avantages : Le sclromtre est une mthode peu coteuse, simple et rapide pour connatre la rsistancedu bton, mais une prcision entre 15 et 20% n'est possible qu'avec des prouvettes qui ont t coules et soumises un traitement de cure et des essais dans les conditions pour lesquelles les courbes d'talonnage ont t tablies.


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Les rsultats sont influencs par des facteurs tels que la rgularit de la surface, la grosseur et la forme de l'prouvette,le degr d'humidit du bton, le type de ciment et le plus gros granulats et le degr de carbonatation de la surface.

En premire approximation, pour des granulats siliceux de qualit courante (Dmax = 16 mm), et pour un bton de

rsistance infrieure 30 MPa, on peut considrer que : sxs

c II

R 3.037

2

=

Is: indice sclromtriqueRc: rsistance la compression

MMeessuurreessssuurrpprroouuvveettttee1166xx3322Les prouvettes pralablement rectifies conformment aux prescriptions de la norme NFP 18-

416, sont maintenues entre les plateaux d'une presse sous une contrainte de 0.5 MPa. Lesclromtre tant plac perpendiculairement l'axe de l'prouvette, on relve 27 mesures rpartiessur 3 gnratrices en 27 points distincts et distants entre eux de 30 mm. Aucune mesure ne doit tresitue moins de 40 mm des faces planes de l'prouvette.

La norme prcise que l'indice sclromtrique (Is) est la mdiane des valeurs. Cependant denombreux laboratoires prfrent dterminer l'indice sclromtrique comme tant la moyennequadratique des mesures, aprs crtement des 2 valeurs extrmes.

MMeessuurreessssuurroouuvvrraaggee

La surface teste est divise en zones d'au moins 400 cm (25 x25 cm). La tige de percussion du sclromtre tantperpendiculaire la surface essaye, on prend 27 mesures sur chaque zone d'essai. La distance entre 2 points de

mesure est d'au moins 30 mm et aucun point ne doit se situer moins de 30 mm de l'un des bords de la surface teste.

IInntteerrpprrttaattiioonnss

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

15 20 25 30 35 40 45 50 55

indice sclromtrique

rsistanceenMPa

20 25 30 35 40 45 50 55

20 MPa

30 MPa

40 MPa

50 MPa

60 MPa

70 MPa

10 MPa 4.5 MPa

6 MPa

6.5 MPa

7 MPa

7.5 MPa

Duret au choc - Indice Sclromtrique

RsistancelaCompression

Dis

persionmoyenne

=0

=+90

=-90

33..3322EESSSSAAIIDD''AAUUSSCCUULLTTAATTIIOONNSSOONNIIQQUUEENNFFPP1188--441188

La mthode consiste mesurer la vitesse de propagation d'ultrasons traversant le bton l'aide d'un gnrateur etd'un rcepteur. Les essais peuvent tre effectus sur des prouvettes en laboratoire ou sur ouvrages. De nombreux

facteurs influent sur les rsultats : la surface sur laquelle l'essai est effectu doit pouser parfaitement la forme de l'appareil qui lui est appliqu,et donc l'emploi d'une substance de contact est indispensable (graisse de paraffine), le parcours doit tre prfrablement d'au moins 30 cm de faon prvenir toute erreur occasionne parl'htrognit du bton, la vitesse de propagation est sensible la maturit du bton (tat d'avancement de l'hydratation, eauoccluse, ...). Cependant, la vitesse des impulsions est peu sensible la temprature. La prsence d'armatures dans le bton perturbe la vitesse de propagation. Il est donc souhaitable et voireindispensable de choisir un parcours d'ondes le moins influenc possible par la prsence des d'armatures,

Applications et limites : C'est une mthode simple et relativement peu coteuse pour dterminer l'homognit d'unbton. Elle peut tre utilise aussi bien dans le cadre d'un suivi de production qu'en contrle sur ouvrages. Lorsque degrands carts de vitesse de propagation sont dcouverts sans causes apparentes dans l'ouvrage, il y a lieu desouponner que le bton est dfectueux ou altr. Une vitesse leve de propagation indique gnralement un bton debonne qualit. Des tudes ralises par la RILEM ont montr que la corrlation avec la rsistance la compression

pour forme : ).(. Vbc eaR = : avec (a, b) coefficients et (v) la vitesse de propagation.


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Qualit Vitesse de propagation m/s

Excellente suprieure 4000

Bonne 3200 4000

Douteuse 2500 3200

Mauvaise 1700 2500

Trs mauvaise infrieure 1700

En premire approximation, pour des granulats siliceux de qualit courante (Dmax = 16 mm), et pour un bton de

rsistance infrieure 30 MPa, on peut considrer que :

( )xVx

c eR

00147.0

08177.0= V : vitesse de propagation (m/s)Rc: rsistance la compression en MPa

De mme, 2 corrlations ont t tablies entre la vitesse de propagation et le module d'lasticit instantan (Eb) du

bton : ..)1(

)21)(1(mb VE

+= et = xxxb LHzE 4

(2)

Hz : Frquence de l'onde en Hertz.Cette frquence est en fonction des dimensions et de la forme de l'prouvette.Pour une prouvette 16x32, on adopte Hz = 6000.

L : longueur de l'prouvetteEb: module d'lasticit

: Coefficient de Poisson du bton (0,20)

: masse volumique du btonVm: vitesse moyenne de propagation

MMeessuurreesseennttrraannssppaarreennccee

Cette mthode permet : de mettre en vidence des dfauts d'homognit, d'estimer Eb, d'estimer la rsistance la compression.

TX TR

d

MMeessuurreesseennssuurrffaaccee

Cette mthode permet : de dterminer la prsence de fissures de masse et ventuellement leur profondeur, de mettre en vidence une couche superficielle de moindre qualit (gel, feu, ...), de mettre en vidence une mauvaise reprise de btonnage (sous certaines rserves).

TX TR

(S)

(P)

(S) ondes de surfaces et (P) ondes profondes rflchies

33..3333MMAATTUURROOMMEETTRRIIEE::LLOOIIDD''AARRRRHHEENNIIUUSS

La prvision de la rsistance court terme du bton est essentielle dans le domaine du gnie civil. On assiste une

acclration des cadences de travail due en partie aux contraintes conomiques et une technicit croissante. Il est important

pour une entreprise de gnie civil de savoir quand la rsistance du bton sera suffisante en toute partie de l'ouvrage, pour

permettre le dcoffrage ou la mise en prcontrainte le plus rapidement possible, en toute scurit. De plus, les procds

d'tuvages et de traitements thermiques se sont trs largement rpandus dans toutes les usines de fabrication des produits en

bton. La matrise de toutes ces oprations passe par une bonne comprhension du processus de dveloppement de la

rsistance du bton court terme. Le perfectionnement des outils de calculs et une bonne connaissance des phnomnes

physico-chimique lis au dveloppement de la rsistance du bton permettent aujourd'hui une modlisation suffisamment fine

du comportement mcanique du bton, tout en tenant compte du paramtre : temprature.

2 C'est trs souvent cette formule qui est intgre dans le calculateur des appareils de mesures.


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Ainsi, I'lvation de temprature au sein d'ouvrages en bton, qui a pour origine l'exothermie de l'hydratation du ciment, est

accentue par l'effet de masse des structures et peut conduire des carts thermiques de l'ordre de 50C entre le cur et les

parois de l'ouvrage. Ces considrations d'ordre thermique ne sont pas sans consquence sur la durabilit et sur les

caractristiques physiques et mcaniques du bton, dont la rsistance en compression. On peut voquer, essentiellement, les

problmes de fissuration due au retrait thermique et les modifications de la microstructure de la pte de ciment temprature

leve. C'est pourquoi les prouvettes de bton, servant aux essais de rsistance et ne suivant pas l'historique de la

temprature relle de l'ouvrage, ne peuvent tre reprsentatives de sa rsistance.

La mthode dcrite ci-dessous, dite mmtthhooddeedduutteemmppssqquuiivvaalleennttest fonde sur la loi d'AArrrrhheenniiuuss

33

, afin de prvoir larsistance en compression d'un bton subissant un historique de temprature.

Par dfinition le tteemmppssqquuiivvaalleennttcorrespond au temps durant lequel on doit laisser le 'mlange bton' la temprature de

rfrence pour obtenir la mme valeur de maturit. Le temps quivalent est donc en quelque sorte le reflet du degr de

durcissement du bton et de l'tat d'avancement des ractions d'hydratation.

dttR

ET

ft

ite .

273)(

1

293

1.exp

+=

E : nergie d'activation apparente en J/mol

R : constante de gaz parfaits (8.314 J/mol.K)

(t) : temprature moyenne sur l'intervalle en C

L'nergie d'activation est la seule inconnue dans cette quation : elle est trs dlicate quantifier, et la prcision souhaite

pour la dtermination du temps quivalent (Te) implique une recherche systmatique de sa valeur (nergie d'activation) et ce ,

pour chaque formulation. En effet, elle dpend de trs nombreux facteurs, mme si trs souvent on ne l'associe qu' la nature

du ciment employ :

CEM I 52.5N

(CPA HPR)

CEM I 42.5R

(CPA 55R)

CEM I 42.5

(CPA 55)

CEM II/A 32.5R

(CP45 R)

CEM II/A 32.5N

(CPJ 45)

CEM III/C 32.5N

(CLK 45)

E/R 3540 3970 4150 4810 5530 6700

PPRRIINNCCIIPPEESSDD''EETTUUDDEEEETTEEXXEEMMPPLLEE

a/ Dtermination de la courbe de rfrence (isotherme 20C)

On confectionne 8 sries de 3 prouvettes (soit 24 prouvettes)4 avec le bton de l'ouvrage. Les matriaux

doivent tre sensiblement 20C, et les prouvettes sont stockes aprs fabrication dans une enceinte climatique 20C.

Les chances de rupture sont : 4h, 8h, 12h, 24h, 32h, 48h, 72h, 28 jours.

Sur chaque lot est galement ralis un essai d'auscultation sonique (voir ci avant).

Puis on trace la courbe d'volution relative de rsistance

28c

ci

R

R la compression.

Dans l'exemple trait, on souhaite vrifier sile traitement thermique prvu permetd'obtenir une rsistance de 40 MPancessaire au relchement des fils deprcontrainte de poutres BP.

La courbe ci-contre a t obtenue partirde valeurs moyennes sur prouvettes16x32

4h :... 8h : 4.8 MPa 12h : 8.2 MPa 24h : 29.2 MPa 32h :... 48h : 38.8 MPa 72h : 44.2 MPa 28 jours : 68.0 MPa

temps (h)

Rsistancerelative

24h 48h 72h 96h 120h12h

0.43

0.57

0.65

0.77

0.12

0.07

0.62

65h

3La loi d'Arrhnius fonde essentiellement sur des constats exprimentaux, dcrit la cintique de toutes les ractions chimiques simples. Cependant, en raison des ractions multiples lors de

la prise et du durcissement, l'application de cette loi ne peut donner qu'une approximation (mais suffisante) des phnomnes rels.4Pour rechercher l'nergie d'activation, on procde un nouveau lotissement sur une isotherme diffrente (40C par exemple).


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a/ Calcul du temps quivalent

Si la mesure s'effectue sur ouvrage, on place lors du btonnage des thermocouples qui permettront obtenir les

tempratures cur.

Si le bton subit un cycle thermique (cas d'un production en usine et cas de l'exemple trait), on relve la

temprature dans l'enceinte.

1h 3h 5h 7h 13h 15h

15

20

35

40

50

60

65

cycle thermique

Pour E/R = 3970, on obtient en intgrant la loi d'Arrhnius sur les diffrents intervalles :

Te= 0.79 + 1 + 1.56 + (2x1.93) + 2.63 + 4.65 + (6x6.07) + 5.56 + 4.65 + 3.87

Te= 65 h

En se reportant sur la courbe dtermine prcdemment on a : 62.028

=R

Ri

Donc, on bout de 15h de traitement thermique, on peut estimer que le bton a atteint une rsistance de :

RTe= 0.62x68 = 42 MPa

4. MODELISATIONS COMPORTEMENTSLaboWin


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Le bton est un pseudo solide en 'perptuelle volution'. Ses proprits sont fonction :

de son ge,

de son histoire,

des contraintes qu'il supporte,

du milieu ambiant (temprature et hygromtrie).

Il subit deux types de dformations :

des dformations instantanes (spontanes), qui se produisent en l'absence de toute charge et setraduisent par des variations de volume : ggoonnfflleemmeennttet rreettrraaiitt,

des dformations sous charges qui sont :

d'abord instantanes, lastiques ou plastiques,

puis lentes sous charges de longue dure (fflluuaaggee).

44..11LLEESSDDEEFFOORRMMAATTIIOONNSSSSPPOONNTTAANNEEEESS

Elles sont dues aux proprits intrinsques des ciments et aux mouvements de l'eau libre contenue dans le bton.

GGoonnfflleemmeenntt :: Il ne s'observe que dans le cas de bton immerg. Pour une longue dure d'immersion, aprs

stabilisation : 4105.1

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