Paramètres influençant la RSI

Paramètres influençant la RSI

Plusieurs facteurs doivent coexister pour que les conditions permettant la formation différée de l’ettringite soient réunies. Ainsi, la conjonction de ces facteurs est indispensable pour amorcer et développer la RSI, ce qui explique vraisemblablement le faible nombre d’ouvrages recensés comme étant atteints par la RSI. Ceci peut également expliquer l’existence de plusieurs contradictions dans les résultats des différentes études menées sur l’impact de ces paramètres, compte tenu de la difficulté de la réalisation de plans d’expérience complets. Ces paramètres peuvent être regroupés dans quatre catégories :
● Paramètres liés aux conditions thermiques aux jeunes âges
● Paramètres liés au ciment
● Paramètres liés à la formulation du béton
● Paramètres liés à l’environnement de conservation.

Conditions thermiques aux jeunes âges

Comme évoqué précédemment, un échauffement excessif du béton aux très jeunes âges, que ce soit du fait de l’exothermie naturelle ou d’un traitement thermique, peut dans certains cas favoriser le développement de la réaction sulfatique interne.

Bétons traités thermiquement
Le traitement thermique appliqué dans l’industrie aux processus de fabrication du béton, afin de lui conférer des performances mécaniques accrues au jeune âge, comporte quatre phases caractérisées chacune par sa durée et la température que doit avoir le béton .

1. Période de préprise (ou de prétraitement) : durant cette phase, la température est maintenue constante (souvent égale à la température ambiante). Sa durée varie généralement entre 0 et 4 heures et dépend de plusieurs paramètres. En effet, elle augmente essentiellement avec la vitesse de montée en température, ainsi que lorsque la prise du béton est lente. Cette phase est destinée à procurer au béton une cohésion suffisante pour qu’il puisse absorber les efforts internes occasionnés par la dilatation thermique de ses constituants, en particulier l’eau et l’air, au moment de l’élévation en température.

2. Période de montée de température : pendant cette phase, la température augmente avec une vitesse constante ne devant pas dépasser généralement 30°C/heure. Le béton absorbe durant cette période toutes les contraintes développées par les dilatations thermiques différentielles de ses constituants.

3. Période isotherme : au cours de cette phase, la température est maintenue constante. Le choix de cette température, ainsi que de sa durée de maintien dépend des propriétés mécaniques souhaitées pour le béton. La durée du palier dépend également de la température du palier (généralement comprise entre une et trois heures pour 85°C, quatre et douze heures pour 65°C). Il faut s’assurer durant cette phase que les températures entre les différents points des grands éléments ou entre les différents produits soumis au même traitement, restent proches et homogènes pour obtenir de niveaux de résistances identiques et éviter les conséquences néfastes des dilatations différentielles.

4. Phase de refroidissement : Au cours de cette phase, la température décroît pour atteindre de nouveau sa valeur initiale (température ambiante). Il est préférable que la vitesse de refroidissement soit inférieure à 10°C/heure pour éviter un gradient de température entre la surface de l’élément et son cœur. En effet, un gradient de valeur supérieure à 15°C produit des fissurations dans le béton.

Bétons de grande masse

Lorsque les éléments de béton sont relativement peu volumineux, et que les pertes thermiques vers l’extérieur sont importantes, l’élévation de la température au cœur d’une pièce de béton reste limitée. Par contre, dans le cas d’une pièce de béton volumineuse et en partie confinée, la chaleur générée par l’hydratation du ciment ne sera que très partiellement dégagée vers l’extérieur et produira une élévation importante de la température du béton pouvant atteindre des valeurs proches de celles appliquées lors d’un traitement thermique [Hobbs, 1999 ; Divet, 2001 ; Divet et Pavoine, 2002 ; Barbarulo, 2002 ; Pavoine, 2003 ; Petrov, 2003 ; Baghdadi, 2008 ; Boenig et al., 2009]. La température n’est cependant jamais uniforme au sein des pièces. En effet, des gradients élevés entre le cœur et la peau de la pièce peuvent être présents (Figure I.5). Cette élévation peut aussi être favorisée dans le cas d’une fabrication en période estivale, d’une utilisation de ciment à prise rapide et d’un coulage en une seule phase. Elle peut durer des dizaines de jours, au contraire du cas de traitement thermique pendant lequel la durée de la phase de palier est de l’ordre de quelques heures. Des fissurations peuvent être engendrées dans le béton à cause des contraintes développées suite à la différence de retrait entre le béton de surface hydraté à la température ambiante et celui du cœur hydraté à une température beaucoup plus élevée [Divet et al., 1998].

Plusieurs cas apparents de RSI dans des pièces de béton critiques non traitées thermiquement, ont été détectés. Ces attaques sulfatiques se caractérisent par les mêmes aspects minéralogiques que dans le cas des bétons traités thermiquement.

Echauffement à long terme 

Quelques phénomènes peuvent provoquer un échauffement tardif du béton. À titre d’exemple, la mise en place de déchets exothermiques dans un site de stockage de déchets pourrait élever la température ambiante du site à des valeurs proches de 85°C. Ainsi, la température du béton sur le site peut évoluer et être relativement élevée. Le béton subira deux cycles de température. Le premier cycle est dû à la chaleur d’hydratation du ciment, et le second est induit par la mise en place de déchets exothermiques à proximité du site de stockage.

Température et durée de maintien

Plusieurs études ont été réalisées dans le but de connaître l’influence des différents paramètres intervenant dans le traitement thermique sur le développement de la réaction sulfatique interne. Celles réalisées par plusieurs auteurs [Famy, 1999 ; Kelham, 1999 ; Scrivener et Lewis, 1999 ; Brunetaud, 2005 ; Escadeillas et al., 2007] ont montré que la température de cure appliquée au matériau ainsi que le moment et la durée de son application sont des facteurs essentiels pour le déclenchement de la RSI. Ainsi, de nombreuses recherches ont été dirigées depuis longtemps vers la détermination de la température seuil, à partir de laquelle un risque d’apparition de la RSI est prévu. Il est aujourd’hui observé par plusieurs chercheurs que le développement d’une RSI dans un matériau cimentaire nécessite une hydratation de ce dernier à une température supérieure à environ 70°C [Odler et Chen, 1995 ; Fu, 1996 ; Famy, 1999 ; Yang et al., 1999 ; Kelham, 1999 ; Lawrence, 1999]. Mais cette température reste toujours dépendante de la durée de la phase de palier [Pavoine, 2003]. D’autres auteurs ont remarqué des dégradations dues à la RSI dans des traverses de chemin de fer, bien que le traitement thermique ait été réalisé à une température ne dépassant pas 60°C [Sahu et Thaulow, 2004]. Cela vient d’autres conditions favorables (ciment à forte teneur en alcalins, en sulfates et en C3S, béton avec un faible rapport E/C et une forte teneur en ciment). Aucune expansion n’est observée, même après 6 ans, dans le cas d’une hydratation à une température ambiante [Lawrence, 1995]. De plus, l’expansion développée dans les mortiers et les bétons est d’autant plus importante que la température du palier est élevée. De même, la durée de la phase de prétraitement semble modifier les expansions finales observées ainsi que la température minimale critique déclenchant la RSI. Fu el al. [Fu et al, 1997] ont montré que l’expansion du béton est d’autant plus faible que la durée de la phase de prétraitement est longue. En effet, une pré-cure à 80°C de 5 heures au lieu de 1 heure semble diminuer l’expansion dans le béton après 200 jours de 1 à 0,2%.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Etude bibliographique
I.1. Introduction
I.2. L’hydratation du ciment
I.3. Différentes catégories d’ettringite
I.4. L’exothermie des bétons
I.5. Formation différée d’ettringite
I.6. Manifestations des désordres dus à la formation différée d’ettringite
I.7. Paramètres influençant la RSI
I.7.1. Conditions thermiques aux jeunes âges
I.7.2. Paramètres liés au ciment
I.7.3. Paramètres liés au béton
I.7.4. Paramètres liés à l’environnement de conservation
I.7.5. Interdépendance des différents paramètres : Etudes de Brunetaud
I.8. Essais accélérés d’évaluation
I.9. Mécanismes d’expansion
I.9.1. Théorie colloïdale
I.9.2. Expansion uniforme de l’ettringite
I.9.3. Expansion par pression de cristallisation
I.9.4. Mécanisme proposé par Brunetaud
I.10. Effets des sollicitations mécaniques sur la perméabilité du béton
I.11. Modélisation de la RSI
I.12. Conclusion
Chapitre II. Evaluation du risque de développement de la RSI dans un béton d’enceinte de confinement
II.1. Introduction
II.2. Simulation de l’échauffement au jeune âge du radier général d’une enceinte de confinement
II.2.1. Modèle thermo-chimique
II.2.2. Structure à modéliser – maillage
II.2.3. Réponse thermique du radier
II.2.4. Conclusion
II.3. Programme expérimental
II.3.1. Formulation du béton du radier
II.3.2. Fabrication des éprouvettes
II.3.3. Traitement thermique
II.3.4. Cycles de séchage et d’humidification
II.3.5. Conditionnement des éprouvettes
II.3.6. Procédures de suivi des corps d’épreuve
II.4. Présentation et analyse des résultats
II.4.1. Comparaison des variations massiques et dimensionnelles
II.4.2. Evolution des modules dynamiques
II.4.3. Effet du gonflement sur les propriétés mécaniques
II.4.4. Interaction gonflement – perméabilité – porosité
II.4.5. Couplage expansion-prise de masse
II.4.6. Apport des mesures complémentaires
II.5. Conclusion
Chapitre III. Etude de l’effet de l’hygrométrie environnante sur la RSI
III.1. Introduction
III.2. Matériaux et techniques expérimentales
III.2.1. Composition et fabrication des bétons
III.2.2. Traitement thermique
III.2.3. Conservation des éprouvettes
III.2.4. Suivi des corps d’épreuve
III.2.5. Observations au Microscope Electronique à Balayage
III.3. Présentation et analyse des résultats
III.3.1. Etude des évolutions massiques et dimensionnelles
III.3.2. Comportement hydrique
III.3.3. Caractérisation du lessivage des alcalins
III.3.4. Etude des évolutions du module dynamique
III.3.5. Etude de l’interaction gonflement-perméabilité-porosité
III.3.6. Etude du couplage expansion-variation de masse
III.3.7. Apport des observations microscopiques
III.4. Conclusion
Chapitre IV. Etude de l’impact du squelette granulaire sur le phénomène de gonflement par RSI
IV.1. Introduction
IV.2. Programme expérimental : définition, mise au point et fabrication
IV.2.1. Matériaux étudiés
IV.2.2. Fabrication et échauffement
IV.2.3. Conservation et suivi des corps d’épreuve
IV.3. Etude des comportements des matériaux
IV.3.1. Comparaison des évolutions des courbes d’expansion
IV.3.2. Discussion sur la nature des inclusions
IV.3.3. Discussion sur l’influence de la granulométrie
IV.3.4. Variations massiques et comportements hydriques
IV.3.5. Caractérisation microscopique
IV.3.6. Evolutions des modules dynamiques
IV.4. Analyse quantitative de la fissuration des matériaux
IV.4.1. Méthode des sécantes orientées
IV.4.2. Préparation de l’échantillon
IV.4.3. Analyse d’images et calcul des paramètres de fissuration
IV.4.4. Comparaison des paramètres de fissuration
IV.5. Modélisation numérique des gonflements par RSI
IV.5.1. Méso-modèle mécanique
IV.5.2. Réponse macroscopique
IV.6. Conclusion
Conclusion générale

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