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Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement :

Soutenance de thèse le 29 août 2007 - Grenoble. Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement : Influences du degré de saturation et du rapport Eau/Ciment. Xuan Hong VU Laboratoire Sols Solides Structures – Risques, Université de Grenoble. Plan. Motivations

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Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement :

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  1. Soutenance de thèse le 29 août 2007 - Grenoble Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement : Influences du degré de saturation et du rapport Eau/Ciment Xuan Hong VU Laboratoire Sols Solides Structures – Risques, Université de Grenoble

  2. Plan • Motivations • Mise au point des essais • Influence du degré de saturation • Influence du rapport E/C • Conclusions et perspectives

  3. Nécessité de caractériser le comportement des bétons ordinaires sous fort niveau de contrainte Contexte • Comportement mécanique du béton sous sollicitations extrêmes : mal connu • Impacts durs (missiles, chutes de blocs …) • Impacts mous (explosions, avalanches …) • Etude de la vulnérabilité des infrastructures massives en béton (centrales nucléaires, barrages, ouvrages d’art ...) • Développer des modèles du comportement du béton sous sollicitations extrêmes Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  4. Effet de la vitesse de chargement sur la réponse du béton Validation Tirs sur cibles (CEG) Barres de Hopkinson (JRC-ISPRA) Influences du degré de saturation et du rapport eau/ciment Xuan Hong VU Influence du trajet de chargementT. GABET (Thèse GABET 11/2006) Cadre de recherche Maîtrise du comportement du béton sous impact Caractérisation statique du comportement du béton sous fort confinement Collaboration 3S-R – CEG (DGA) : PREVI (Pôle de Recherche et d'Etudes sur la Vulnérabilité des Infrastructures) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  5. F Essai statique Chargement homogène Instrumentation plus facile Sandia National Laboratories p Béton Déplacement contrôlé Essai statique triaxial Essais statiques et dynamiques Essai dynamique Difficulté :bétonet impacts Matériau complexe Difficile à maîtriser Sollicitation complexe (Amplitude, Trajet de chargement) Instrumentation délicate Essais dynamiques en vraie grandeur : coûteux Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  6. Objectifs (1/2) ? Comportement du béton sous fort confinement Degré de saturation Processus de séchage du béton très lent 1 an e=1m 10 ans Cœur du béton quasi saturé ≠ parement sec 100 ans Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  7. Objectifs (2/2) ? Comportement du béton sous fort confinement Formulation du béton Composition de la pâte (E/C) Résistance en compression simple (Bolomey, Féret) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  8. Mise au point des essais

  9. sx < 2,3 GPa 14 cm p < 0,85 GPa 7 cm 8 mm Jauge Instrumentation : 1 LVDT et 3 Jauges Dispositif expérimental (resp. tech. : Roger SABBIA) Principaux organes Presse triaxiale GIGA Vue en coupe de la cellule Vérin multiplicateur Cellule de confinement Vérin axial Echantillon de béton Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  10. perforation de la membrane et des jauges Protection des échantillons et jauges : difficultés Membrane Porosité macroscopique Enclume +Forte pression de confinement béton Jauge Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  11. Reboucher les porosités de surface (par mortier) Bouclier de protection des jauges Jauge Latex Neoprene Protection des échantillons et jauges : solutions béton Membrane multi-couche Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  12. Effet du dispositif de protection négligeable Influence du dispositif de protection sur la mesure des jauges Test hydrostatique sur polycarbonate Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  13. sx p Carbure Carbure Effet de la pression sur les mesures des déformations ? Caractéristiques élastiques du carbure de tungstène ? Analyse des sources d’erreurs sur les mesures de déformations Test triaxial sur carbure de tungstène sx (MPa) Jauges LVDT mes e ex Phase déviatoire ? ? Phase hydrostatique e (%) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  14. sx E=563 GPa n=0,24 Module de compressibilité K= 361 GPa Caractérisation du carbure de tungstène Essai de compression simple sur carbure de tungstène Jauges Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  15. p p Effet de la pression sur les jauges négligeable Prise en compte de l’effet de la pression sur le LVDT Effet de la pression : Compensation Essai hydrostatique sur carbure de tungstène Jauge calculée (CS) Compensation (pression) LVDT mes Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  16. Bonne cohérence LVDT/jauges après correction Effet de la pression : validation Essai hydrostatique sur polycarbonate p e = 30 mm p LVDT mes Jauges LVDT compensé Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  17. sx Carbure Carbure Prise en compte de la rigidité des enclumes Effet de la déformation des enclumes sur le LVDT Essai de compression simple sur carbure de tungstène Fd (kN) Compensation (Fd) Jauge Force déviatoire : Fd = F - pS LVDT mes u (mm) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  18. sx p Carbure Carbure Bonne cohérence LVDT/jauges après correction Maîtrise du traitement des mesures Capacité à réaliser des essais fiables Validation des compensations Test triaxial sur carbure de tungstène sx (MPa) Jauges e ex LVDT mes Phase déviatoire LVDT compensé Phase hydrostatique e (%) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  19. Gravier 2/8 Sable 0/2 eau ciment 169l 263kg 1007kg 838kg air 34l Procédure de fabrication du béton détaillée Echantillons de béton reproductibles Formulation du béton R30A7 But : Béton ordinaire et reproductible CEM I - Vicat Béton durci - Résistance 30 MPa • Porosité du béton h ~ 12 % • Porosité de la pâte ~ 40 % Béton frais • Affaissement 7 cm • E/C=0,64 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  20. Influence du degré de saturation

  21. Influence du degré de saturation Echantillons de béton Secs = séchés dans une étuve à 50°C – Sr ~ 11% Saturés = conservés dans l’eau – Sr ~ 100% jusqu’à une stabilisation de masse Humides = conservés dans l’eau puis dans l’air – Sr ~ 50 à 85% Chemin de chargement p=650 MPa q=sx-p sx Compression triaxiale p=400 p=200 p p p=100 p=50 sx p=0 p Degré de saturation Sr = 1- Meau/ Vech eau ~ 12% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  22. Béton saturé Sr ~ 100% Béton humide Sr ~ 70% ; 50% ; 42% Béton très humide Sr ~ 85% Effet important du degré de saturation à fort confinement Comportement axial Béton sec Sr ~11% (*) GABET 2006 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  23. Béton saturé Sr ~ 100% ev 3ex (%) Béton humide Sr ~ 70% ; 50% ; 42% Béton très humide Sr ~ 85% Compaction accentuée par le déviateur des contraintes Compaction moins importante pour les échantillons saturés et humides à fort confinement Transition contractance-dilatance Comportement volumique (1/3) Béton sec Sr ~11% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  24. p = 200 MPa p = 100 MPa - Réduction de la rigidité de la matrice cimentaire (avant essai) - Effet de lubrification sm < 70 MPa : compaction plus faible pour les échantillons saturés et humides compaction plus importante pour les échantillons saturés et humides 70 MPa < sm < 300 MPa : Comportement volumique (2/3) p = 0 MPa p = 50 MPa Microfissurations du béton, induites par le processus de séchage (avant essai) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  25. compaction plus faible pour les échantillons saturés et humides sm> 300 MPa : Comportement volumique (3/3) p = 400 MPa p = 650 MPa Effet de pression interstitielle Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  26. Comportement déviatoire (1/4) Béton sec - Sr~11% Béton saturé - Sr~100% qmax ~ 200 MPa quel que soit le confinement si saturé Confinement plus élevé : - Béton plus raide- Niveaux de contraintes atteints plus élevés Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  27. Bonne cohérence avec l’évolution du module tangent de la courbe de comportement volumique avec le confinement Comportement déviatoire (2/4) Béton sec - Sr~11% Béton saturé - Sr~100% Endommagement progressif de la matrice cimentaire Evolution de la raideur tangente avec le confinement Effondrement de la porosité du matériau Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  28. Comportements déviatoires proches pour des échantillons possédant des degrés de saturation différents : béton cohésif Comportement déviatoire (3/4) p < 150 MPa p = 50 MPa p = 0 MPa p = 100 MPa Effet de séchage du béton avant essai Réduction de la rigidité de la matrice cimentaire pour des échantillons saturés et humides avant essai Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  29. Comportements similaires à faible déformation qmax borné pour les échantillons saturés et humides : effets de pression interstitielle et de lubrification Comportement déviatoire (4/4) p > 150 MPa p = 650 MPa p = 400 MPa p = 200 MPa Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  30. Courbe d’état limite Etat limite = transition contractance - dilatance Sec Sr=11% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  31. 100% • Courbe d’état limite identique à faible confinement • Pas d’augmentation de qmax avec le confinement si saturé Courbe d’état limite Etat limite = transition contractance - dilatance Sec Sr=11% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  32. Fermeture de la porosité non saturée 85% 100% • Courbe d’état limite identique à faible confinement • Pas d’augmentation de qmax avec le confinement si saturé Courbe d’état limite Etat limite = transition contractance - dilatance Sec Sr=11% 50% 70% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  33. Sr=11%; p=400MPa Sr=70%; p=200MPa Sr=11%; p=100MPa Sr=100%; p=650MPa Sr=11%; p=50MPa A faible confinement : Mode de localisation en fonction du confinement et du Sr Sous fort confinement : p=0MPa Bandes de localisation perpendiculaires à x Sr=100%; p=50MPa Modes de rupture observés Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  34. Influence de E/C

  35. Influence du rapport E/C : Bétons testés Sikafluid: 4.5 kg Vpâte de ciment  0,25 m3/ m3 Gravier 2/8 Ciment-CEM I Eau Air Sable 0/2 Affais-sement 7cm 1007 kg 838 kg 263 kg 169 l 34 l Gravier 2/8 Ciment-CEM I Eau Air Sable 0/2 EC04 (E/C=0,4) 1003 kg 832 kg 349 kg 135 l 41 l Porosité : 7 % Affais-sement7cm Porosité : 12 % Affais-sement14 cm EC08 (E/C=0,8) Gravier 2/8 Ciment-CEMI Eau Air Sable 0/2 178 l 990 kg 824 kg 221 kg 50 l Porosité : 14 % Formulation des bétons R30A7 (E/C=0,64) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  36. Essais réalisés Chemin de chargement p=650 MPa (EC08, R30A7, EC04) q=sx-p Compression triaxiale p=200 (R30A7, EC04) sx p=100 (EC08, R30A7, EC04) p=50 (EC08, R30A7) p p p=0 (EC08, R30A7, EC04) p sx Echantillons de béton : EC08, R30A7 (EC06), EC04 Secs = séchés dans une étuve à 50°C - Sr~11% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  37. Comportements volumique et déviatoire (1/4) E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7)E/C = 0,8 : Béton EC08 p = 0 MPa p = 50 MPa Comportement déviatoire Comportement déviatoire Diminution de l’écart entre les résistances respectives avec l’augmentation de p Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  38. Comportements volumique et dévitoire (2/4) E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7)E/C = 0,8 : Béton EC08 p = 100 MPa Comportement volumique Comportement déviatoire (*) (*) (*) GABET 2006 E/C=0,64 ~ E/C=0,8 Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  39. Comportements volumique et dévitoire (3/4) E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7)E/C = 0,8 : Béton EC08 p = 200 MPa Comportement volumique Comportement déviatoire (*) (*) (*) GABET 2006 Diminution de l’écart entre les résistances respectives avec l’augmentation de p Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  40. Comportement déviatoire indépendant de E/C pour p=650MPa Perte quasiment complète de la cohésion de la matrice cimentaire Le béton se comporte comme un empilement granulaire Comportements volumique et dévitoire (4/4) E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7)E/C = 0,8 : Béton EC08 p = 650 MPa Comportement déviatoire Comportement volumique Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C Module tangent de la courbe de comportement volumique identique à fort confinement Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  41. Influence du rapport E/C : Etat limite Aucun effet de E/C au delà d’une pression critique pc E/C=0,4 E/C=0,64 (réf.) E/C=0,8 pc Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  42. Conclusion et perspectives

  43. Conclusion – Mise au point d’essais Méthodologie Influence du degré de saturation Influence du rapport eau/ciment Procédures validées Composition du béton (matériaux et formulation) Confection et instrumentation des éprouvettes Membrane et dispositif de protection des jauges Traitement des mesures Capacité à faire des essais fiables Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  44. Conclusion - Influence du degré de saturation Sous très fort confinement • Comportement volumique du béton saturé plus raide • Comportement déviatoire fortement influencé par Sr qatteint ~ 900 MPa sec comportement durcissant avec écrouissage positif Compression triaxiale p=650 MPa qmax ~ 200 MPa saturé comportement ductile sans écrouissage Effets de pression interstitielle et de lubrification Modes de rupture du béton A faible confinement Mode de localisation en fonction du confinement et du Sr Sous fort confinement Bandes de localisation perpendiculaires à x Comportement du béton A faible pression de confinement • Le degré de saturation a une influence faible Saturation < 100% : Béton cohésif Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  45. Conclusion - Influence du rapport E/C • Le comportement volumique du béton est d’autant moins raide que le rapport E/C est grand • Le comportement déviatoire du béton - est très fortement lié au rapport E/C à faible confinement - mais est indépendant de E/C au delà d’une pression critique pc - la valeur de la pression critique pc diminue avec E/C Le béton se comporte comme un empilement granulaire sous très fort confinement Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  46. Dissocier les déformations élastiques et irréversibles du béton au cours de l’essai • Essais sur des bétons possédant des degrés de saturation intermédiaires Compléter les courbes d’états-limites • Essais permettant le drainage Effet de lubrification et effet de pression interstitielle Perspectives - Influence du degré de saturation • Essais sur des bétons possédant des degrés de saturation élevés (Sr = 85%, 70%) avec des cycles de chargement-déchargement • Influence de la vitesse de déformation sur le comportement du béton Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  47. Perspectives - Influence de la composition du béton (à venir Xuan Hong VU) • Composition du squelette (G/S et Dmax) (à venir Xuan Hong VU) • Volume de pâte / volume de granulats • Influence relative du mortier et des granulats (en cours F. DUPRAY) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

  48. Soutenance de thèse le 29 août 2007 - Grenoble Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement : Influences du degré de saturation et du rapport Eau/Ciment Xuan Hong VU PLAN Motivations Laboratoire Sols Solides Structures – Risques, Université de Grenoble Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence du rapport E/C Conclusions et perspectives

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