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Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement : Influences du degré de saturation et du rapport Eau/Ciment Xuan Hong VU Laboratoire Sols.

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Présentation au sujet: "Caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement : Influences du degré de saturation et du rapport Eau/Ciment Xuan Hong VU Laboratoire Sols."— Transcription de la présentation:

1 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 Soutenance de thèse le 29 août Grenoble

2 n°2/47 Plan Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence du rapport E/C Conclusions et perspectives

3 n°3/47 Contexte Etude de la vulnérabilité des infrastructures massives en béton (centrales nucléaires, barrages, ouvrages dart...) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Nécessité de caractériser le comportement des bétons ordinaires sous fort niveau de contrainte Comportement mécanique du béton sous sollicitations extrêmes : mal connu Impacts durs (missiles, chutes de blocs …) Impacts mous (explosions, avalanches …) Développer des modèles du comportement du béton sous sollicitations extrêmes

4 n°4/47 Cadre de recherche Maîtrise du comportement du béton sous impact Collaboration 3S-R – CEG (DGA) : PREVI (Pôle de Recherche et d'Etudes sur la Vulnérabilité des Infrastructures) Caractérisation statique du comportement du béton sous fort confinement Influence du trajet de chargement T. GABET (Thèse GABET 11/2006) Influences du degré de saturation et du rapport eau/ciment Xuan Hong VU Effet de la vitesse de chargement sur la réponse du béton Barres de Hopkinson (JRC-ISPRA) Validation Tirs sur cibles (CEG) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

5 n°5/47 Essais statiques et dynamiques Difficulté : béton et impacts Matériau complexe Difficile à maîtriser Essais dynamiques en vraie grandeur : coûteux Essai dynamique Sandia National Laboratories Sollicitation complexe (Amplitude, Trajet de chargement) Instrumentation délicate Essai statique Chargement homogène Instrumentation plus facile Déplacement contrôlé Essai statique triaxial p F Béton Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

6 n°6/47 Objectifs (1/2) 1 an Processus de séchage du béton très lent Cœur du béton quasi saturé parement sec 100 ans 10 ans e=1m Comportement du béton sous fort confinement Degré de saturation ? Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

7 n°7/47 Comportement du béton sous fort confinement Formulation du béton ? Composition de la pâte (E/C) Résistance en compression simple (Bolomey, Féret) Objectifs (2/2) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

8 n°8/47 Mise au point des essais

9 n°9/47 8 mm Echantillon de béton 7 cm p < 0,85 GPa x < 2,3 GPa 14 cm Dispositif expérimental (resp. tech. : Roger SABBIA) Cellule de confinement Presse triaxiale GIGA Principaux organes Vérin multiplicateur Vérin axial Instrumentation : 1 LVDT et 3 Jauges Jauge Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Vue en coupe de la cellule

10 n°10/47 Protection des échantillons et jauges : difficultés béton Porosité macroscopique perforation de la membrane et des jauges + Forte pression de confinement Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Membrane Jauge Enclume

11 n°11/47 Membrane multi-couche Latex Neoprene béton Bouclier de protection des jauges Jauge Protection des échantillons et jauges : solutions Reboucher les porosités de surface (par mortier) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

12 n°12/47 Influence du dispositif de protection sur la mesure des jauges Effet du dispositif de protection négligeable Test hydrostatique sur polycarbonate Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

13 n°13/47 Carbure Analyse des sources derreurs sur les mesures de déformations (%) x (MPa) LVDT mes Jauges Test triaxial sur carbure de tungstène ? ? x Phase hydrostatique Phase déviatoire Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p x Effet de la pression sur les mesures des déformations ? Caractéristiques élastiques du carbure de tungstène ?

14 n°14/47 Caractérisation du carbure de tungstène Essai de compression simple sur carbure de tungstène Module de compressibilité K= 361 GPa E=563 GPa =0,24 Jauges Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions x

15 n°15/47 Effet de la pression : Compensation Effet de la pression sur les jauges négligeable Prise en compte de leffet de la pression sur le LVDT Compensation (pression) Essai hydrostatique sur carbure de tungstène LVDT mes Jauge calculée (CS) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p p

16 n°16/47 Effet de la pression : validation Bonne cohérence LVDT/jauges après correction e = 30 mm Essai hydrostatique sur polycarbonate LVDT mes LVDT compensé Jauges Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p p

17 n°17/47 Carbure Effet de la déformation des enclumes sur le LVDT Essai de compression simple sur carbure de tungstène Force déviatoire : F d = F - pS Prise en compte de la rigidité des enclumes LVDT mes Jauge Compensation (F d ) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions x F d (kN) u (mm)

18 n°18/47 Carbure Validation des compensations Bonne cohérence LVDT/jauges après correction Jauges LVDT mes LVDT compensé x Phase hydrostatique Phase déviatoire Capacité à réaliser des essais fiables Maîtrise du traitement des mesures Test triaxial sur carbure de tungstène Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p x (%) x (MPa)

19 n°19/47 Formulation du béton R30A7 Sable 0/2 838kg 263kg 169l ciment 1007kg air Gravier 2/8 eau 34l Béton frais - Affaissement 7 cm - E/C=0,64 Béton durci - Résistance 30 MPa - Porosité du béton ~ 12 % - Porosité de la pâte ~ 40 % But : Béton ordinaire et reproductible CEM I - Vicat Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Echantillons de béton reproductibles Procédure de fabrication du béton détaillée

20 n°20/47 Influence du degré de saturation

21 n°21/47 Influence du degré de saturation Sr = 1- M eau / V ech eau ~ 12% Degré de saturation Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Compression triaxiale x p x p p=50 p=200 p=100 p=400 q= x -p p=650 MPa Chemin de chargement p p=0 Echantillons de béton Secs = séchés dans une étuve à 50°C – Sr ~ 11% Saturés = conservés dans leau – Sr ~ 100% jusquà une stabilisation de masse Humides = conservés dans leau puis dans lair – Sr ~ 50 à 85%

22 n°22/47 Comportement axial Béton sec Sr ~ 11% (*) GABET 2006 Effet important du degré de saturation à fort confinement Béton humide Sr ~ 70% ; 50% ; 42% Béton très humide Sr ~ 85% Béton saturé Sr ~ 100% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

23 n°23/47 Comportement volumique (1/3) Béton sec Sr ~ 11% Compaction accentuée par le déviateur des contraintes Compaction moins importante pour les échantillons saturés et humides à fort confinement Transition contractance-dilatance Béton saturé Sr ~ 100% 3 x (%) v Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Béton humide Sr ~ 70% ; 50% ; 42% Béton très humide Sr ~ 85%

24 n°24/47 Comportement volumique (2/3) p = 0 MPa Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p = 50 MPa p = 100 MPa p = 200 MPa - Réduction de la rigidité de la matrice cimentaire (avant essai) - Effet de lubrification compaction plus faible pour les échantillons saturés et humides m < 70 MPa : 70 MPa < m < 300 MPa : compaction plus importante pour les échantillons saturés et humides Microfissurations du béton, induites par le processus de séchage (avant essai)

25 n°25/47 Comportement volumique (3/3) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p = 650 MPa Effet de pression interstitielle p = 400 MPa m > 300 MPa : compaction plus faible pour les échantillons saturés et humides

26 n°26/47 Comportement déviatoire (1/4) Béton saturé - Sr~100% Béton sec - Sr~11% q max ~ 200 MPa quel que soit le confinement si saturé Confinement plus élevé : Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions - Béton plus raide - Niveaux de contraintes atteints plus élevés

27 n°27/47 Comportement déviatoire (2/4) Béton saturé - Sr~100% Béton sec - Sr~11% Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Evolution de la raideur tangente avec le confinement Endommagement progressif de la matrice cimentaire Effondrement de la porosité du matériau Bonne cohérence avec lévolution du module tangent de la courbe de comportement volumique avec le confinement

28 n°28/47 Comportement déviatoire (3/4) p = 0 MPa Effet de séchage du béton avant essai p = 50 MPa p = 100 MPa 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 p < 150 MPa Comportements déviatoires proches pour des échantillons possédant des degrés de saturation différents : béton cohésif

29 n°29/47 Comportement déviatoire (4/4) p = 200 MPa p = 400 MPa p = 650 MPa Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions p > 150 MPa q max borné pour les échantillons saturés et humides : effets de pression interstitielle et de lubrification Comportements similaires à faible déformation

30 n°30/47 Courbe détat 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 n°31/47 Courbe détat limite Etat limite = transition contractance - dilatance Sec Sr=11% 100% Courbe détat limite identique à faible confinement Pas daugmentation de q max avec le confinement si saturé Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

32 n°32/47 Courbe détat limite Etat limite = transition contractance - dilatance Fermeture de la porosité non saturée Sec Sr=11% 70% 85% 100% 50% Courbe détat limite identique à faible confinement Pas daugmentation de q max avec le confinement si saturé Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

33 n°33/47 Modes de rupture observés Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Sr=100%; p=50MPa Sr=11%; p=100MPa Sr=11%; p=50MPa p=0MPa Sr=11%; p=400MPa Sr=100%; p=650MPa Sr=70%; p=200MPa Bandes de localisation perpendiculaires à x A faible confinement : Mode de localisation en fonction du confinement et du Sr Sous fort confinement :

34 n°34/47 Influence de E/C

35 n°35/47 Influence du rapport E/C : Bétons testés R30A7 (E/C=0,64) EC04 (E/C=0,4) V pâte de ciment 0,25 m 3 / m 3 Gravier 2/8 Sable 0/ kg832 kg Ciment-CEM I Eau 349 kg 135 l Air 41 l Sikafluid: 4.5 kg Affais- sement 7cm Porosité : 7 % Gravier 2/8 Sable 0/ kg838 kg Ciment-CEM I Eau 263 kg169 l Air 34 l Porosité : 12 % Affais- sement 7cm Formulation des bétons EC08 (E/C=0,8) Gravier 2/8 Sable 0/2 990 kg824 kg Ciment-CEMI Eau 221 kg 178 l Air 50 l Affais- sement 14 cm Porosité : 14 % Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

36 n°36/47 Echantillons de béton : EC08, R30A7 (EC06), EC04 Secs = séchés dans une étuve à 50°C - Sr~11% Essais réalisés Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions x p x p p=50 (EC08, R30A7) p=200 (R30A7, EC04) p=100 (EC08, R30A7, EC04) q= x -p p=650 MPa (EC08, R30A7, EC04) p p=0 (EC08, R30A7, EC04) Compression triaxiale Chemin de chargement

37 n°37/47 p = 50 MPa Diminution de lécart entre les résistances respectives avec laugmentation de p Comportement déviatoire Comportements volumique et déviatoire (1/4) p = 0 MPa Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Comportement déviatoire E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7) E/C = 0,8 : Béton EC08

38 n°38/47 p = 100 MPa Comportement volumique Comportement déviatoire Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C E/C=0,64 ~ E/C=0,8 Comportements volumique et dévitoire (2/4) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions (*) (*) GABET 2006 E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7) E/C = 0,8 : Béton EC08

39 n°39/47 p = 200 MPa Comportement volumique Comportement déviatoire Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C Diminution de lécart entre les résistances respectives avec laugmentation de p Comportements volumique et dévitoire (3/4) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions (*) (*) GABET 2006 E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7) E/C = 0,8 : Béton EC08

40 n°40/47 p = 650 MPa Comportement volumique Comportement déviatoire 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) 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 E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7) E/C = 0,8 : Béton EC08

41 n°41/47 Aucun effet de E/C au delà dune pression critique p c Influence du rapport E/C : Etat limite E/C=0,64 (réf.) E/C=0,8 E/C=0,4 pcpc Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

42 n°42/47 Conclusion et perspectives

43 n°43/47 Conclusion – Mise au point dessais Composition du béton (matériaux et formulation) Confection et instrumentation des éprouvettes Membrane et dispositif de protection des jauges Traitement des mesures Procédures validées Capacité à faire des essais fiables Influence du degré de saturation Influence du rapport eau/ciment Méthodologie Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

44 n°44/47 Conclusion - Influence du degré de saturation Le degré de saturation a une influence faible Saturation < 100% : Béton cohésif A faible pression de confinement Comportement déviatoire fortement influencé par Sr Comportement volumique du béton saturé plus raide Sous très fort confinement q max ~ 200 MPa Effets de pression interstitielle et de lubrification q atteint ~ 900 MPa p=650 MPa sec saturé Compression triaxiale comportement ductile sans écrouissage comportement durcissant avec écrouissage positif Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions Comportement du béton Bandes de localisation perpendiculaires à x A faible confinement Mode de localisation en fonction du confinement et du Sr Sous fort confinement Modes de rupture du béton

45 n°45/47 Le comportement volumique du béton est dautant 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 dune pression critique p c - la valeur de la pression critique p c diminue avec E/C Conclusion - Influence du rapport 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 n°46/47 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 Dissocier les déformations élastiques et irréversibles du béton au cours de lessai Essais sur des bétons possédant des degrés de saturation intermédiaires Compléter les courbes détats-limites Essais permettant le drainage Effet de lubrification et effet de pression interstitielle 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 n°47/47 Perspectives - Influence de la composition du béton Influence relative du mortier et des granulats (en cours F. DUPRAY) Volume de pâte / volume de granulats Composition du squelette (G/S et D max ) (à venir Xuan Hong VU) Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions (à venir Xuan Hong VU)

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


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