THÈSE - spé Physico-chimie des matériaux

Sujets

• Matériau pour ressort
• Équipe en binôme
• DeFRaG
• Granulat
• Expansionnisme du Japon Sh?wa
• Paramètre post-képlérien

Informations

• Publié par: Insoo
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS ET MANUFACTURES « ÉCOLE CENTRALE PARIS » THÈSE présentée par Xavier Brunetaud pour l’obtention du GRADE DE DOCTEUR Spécialité : Physico-Chimie des Matériaux Laboratoire d’accueil : MSSMat Recherche effectuée au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées SUJET : Etude de l’influence de différents paramètres et de leurs interactions sur la cinétique et l’amplitude de la réaction sulfatique interne au béton soutenue le : 8 décembre 2005 devant un jury composé de : Pr. Jean Marie Fleureau Président Pr. Karen Scrivener Rapporteurs Pr. Micheline Moranville Pr. Denis Damidot (Directeur de thèse) Examinateurs Angélique Vichot Loïc Divet Patrick Rougeau 2005-41 - 1 -  - 2 - Remerciements Ce travail a été réalisé au service Physico-Chimie des Matériaux du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) en collaboration avec l’Association Technique de l’Industrie des Liants Hydrauliques (ATILH), le Centre d’Etude et de Recherche de l’Industrie du Béton (CERIB), et du côté universitaire, l’Ecole des Mines de Douai et l’Ecole Centrale Paris. Les innombrables souvenirs accumulés durant ces trois années de thèse sont autant de reflets des innombrables personnes que j’ai côtoyées. Que chaque personne dont j’ai croisé la route soit assurée qu’elle a gagné sa place dans mes souvenirs et mon estime. Je tiens tout d’abord à exprimer ma gratitude à mes rapporteurs de jury, Mme Karen Scrivener et Mme Micheline Moranville. Comme semble le vouloir une regrettable coutume, leur patience puis leur rapidité de lecture ont été mises à contribution, voilà un point sur lequel je n’ai pas réussi à innover. Je remercie M Jean-Marie Fleureau de l’Ecole Centrale Paris de m’avoir accueilli au laboratoire MSSMat et d’avoir présidé le jury lors de ma soutenance de thèse. Je tire mon chapeau à mon directeur de thèse, Denis Damidot, qui a dans l’ensemble réussi à manœuvrer en terrain quelques fois glissant en ménageant les susceptibilités. J’espère m’être investi à ses côtés de quelques notions sur l’art de la nuance et de la conciliation. Je remercie aussi les membres du département Génie Civil de l’Ecole des Mines de Douai pour leur assistance lors de mes séjours dans ce laboratoire. J’exprime ma reconnaissance à Alain Capmas et Angélique Vichot de l’ATILH. Angélique m’a beaucoup appris, même s’il m’a fallu parfois quelques temps pour le réaliser. Détecter et reconnaître ses erreurs est une qualité difficile à développer lorsque l’on essaie de prendre de l’assurance. Les nombreux trajets entre le LCPC de Paris et le CERIB ont oxygéné mes activités parisiennes. J’ai toujours été très bien accueilli au CERIB ; Patrick Rougeau et Claude Badoz, y sont pour beaucoup, mais je n’oublie pas le reste de l’équipe matériaux. - 1 - Mes activités m’ont mené au CTG de Guerville. Je remercie Benigne Bollotte, Gilbert Noworyta puis Fabrice Decroix, et leur équipe de techniciens, de m’avoir réservé du temps et de l’attention. Les moments d’échange et de sympathie passés en présence d’Eric Brouard resteront de très bons souvenirs. J’espère que sa route lui permettra de continuer à motiver de jeunes recrues. J’ai eu la chance et le grand plaisir de travailler avec Richard Linder à l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. J’espère que climat de la vallée de la Durance prendra bien soin de cet homme atypique. Mes premières pensées vont naturellement à mon équipe d’adoption, le service Physico- Chimie des Matériaux du LCPC. Il règne dans cette galère une saine émulation garantissant une bonne vitesse de croisière. Il faut en remercier le capitaine Daniel André, et ses seconds : Loïc Divet, Thierry Chaussadent, Philippe Touzé puis Philippe Briquet. A bord, Laetitia, Gérard, Fabienne, Françoise et Karim s’occupent de l’itinéraire et de la maîtrise d’équipage. Annie, Assia et Patricia maintiennent le cap pendant que les thésards idéaux (Manu, David, Elise) investissent la vigie et les techniciens de rêve (Thierry, Steph L & Steph F, Delphine, JP, Aurélie, Céline, Nico, Frank, Arnaud, Etienne, et surtout Dominique) souquent ferme. Je souhaite bon vent à Alexandre Pavoine qui m’a ouvert la route. Je ne risque pas d’oublier cette équipe que je ne manquerai pas de revoir avec beaucoup de plaisir. J’adresse tout particulièrement ma gratitude à Loïc Divet, qui est à l’origine de ce projet de recherche, et qui m’a conseillé et permis de garder le cap pendant cette thèse. Mes remerciements vont aussi à la division béton et composites cimentaires, où j’ai réalisés mes essais mécaniques destructifs, aidé par C. Boulet. J’ai été très touché par la présence de ma famille lors de ma soutenance, je leur dois une bonne part de ma volonté. Enfin, je dois féliciter celle qui m’a supporté durant ces trois ans en acceptant ce Paris : ma compagne Sandrine, nous avons fait ce voyage à deux. Je dédie cet ouvrage à mon grand père Henri Brochet, qui avait la tête dans les étoiles, les pieds dans la terre de Champagne, et le cœur parmi nous. - 2 - Résumé court La formation différée d’ettringite (ou Delayed Ettringite Formation) est une pathologie des matériaux cimentaires qui a fait l’objet d’un grand nombre de recherches ces dernières années. Si l’ettringite ne se forme que partiellement pendant les premières heures d’hydratation (sa solubilité augmente avec la température et la teneur en alcalins), la précipitation tardive de cette ettringite dans un matériau durci, conservé en ambiance humide, sans faire appel à une source extérieure de sulfate, peut s’accompagner d’un gonflement du matériau. La formation différée de l’ettringite peut être diagnostiquée lorsque ce gonflement génère un endommagement à l’échelle du matériau ou de la structure. Ce phénomène peut se traduire en laboratoire par une expansion de toute la masse de béton pouvant dépasser 1 %, qui peut alors être à l’origine de dégradations importantes à l’échelle d’une structure. De nos jours, il n’existe que peu de cas reconnus du fait que cette pathologie requiert la concomitance de nombreux paramètres. Les rares cas d’attaque sulfatique interne ont été rencontrés sur des bétons préfabriqués traités thermiquement et des pièces massives de béton coulé en place non traitées thermiquement. Dans ce deuxième cas, la chaleur dégagée par l’hydratation du ciment peut alors suffire à générer des températures importantes au cœur de la pièce. Les principaux paramètres nécessaires à l’apparition de cette pathologie sont maintenant relativement bien connus : un échauffement du béton dépassant 65°C pendant une durée suffisante, des teneurs en sulfates, alcalins et aluminates du ciment élevées et un environnement de conservation très humide. Il reste par contre à préciser l’impact de chacun de ces paramètres et principalement déterminer les interactions qui semblent être à l’origine de la grande divergence des modèles expérimentaux proposés dans la littérature. Un autre centre d’interrogation concerne le rôle exact de l’ettringite dans l’expansion et plus précisément la source initiale du gonflement et le mécanisme global conduisant aux dégradations qui affectent les caractéristiques mécaniques du matériau. Cette étude a pour but de répondre à ces interrogations. Dans une première partie, une importante campagne expérimentale vient étudier l’influence des paramètres tels que la température et la durée d’échauffement, le rapport E/C, le type de granulat, la composition et la finesse du ciment, sur les expansions induites par la DEF, ainsi que leur impact sur les caractéristiques du matériau. Cette campagne, conçue sur le principe des plans d’expériences, a permis de mettre en évidence le rôle majeur de certains paramètres - 3 - et surtout de montrer que les interactions, notamment entre la température et la durée de l’échauffement, sont de première importance. Les modèles empiriques générés, validés d’un point de vue statistique, permettent d’estimer avec une grande précision les expansions et les caractéristiques mécaniques des bétons étudiés. La deuxième partie concerne l’élaboration d’un mécanisme global de la dégradation s’appuyant sur la synthèse des connaissances actuelles et étayé par les expériences et observations réalisées pendant cette étude. Ce mécanisme fait intervenir différents points clefs comme l’expansion homogène de la matrice cimentaire, la précipitation de l’ettringite dans les grains de Hadley, et la précipitation de l’ettringite aux interfaces pâte / granulat. Short abstract Delayed ettringite formation (DEF) is a pathology of cementitious materials that has been widely studied these past years. If ettringite forms only partially during the beginning of cement hydration (its solubility increases with temperature and alkali content), the late crystallization of the remaining ettringite in a hardened material stored in wet conditions, without any external sulphate supply, can be associated with a global swelling of the material. DEF can be identified if this swelling generates damage at the level of the material or the structure. This phenomenon can cause concrete specimens to expand by about 1 % in unrestrained conditions of expansion, leading to important damage in field structures as cracks affecting the whole concrete. Nowadays there are only few recognized cases because this pathology requires the concomitance of several conditions. These cases have been identified in steam-cured precast concretes and in non-heat-treated massive concrete members. In this second case, the heat associated with cement hydration can generate by itself high temperature in the heart of the concrete member. The main parameters required to develop this pathology are now relatively well known : a temperature higher than 65°C during a adequate time, high sulphate, alk