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 Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence du rapport E/C Conclusions et perspectives

Contexte Etude de la vulnérabilité des infrastructures massives en béton (centrales nucléaires, barrages, ouvrages d’art ...) 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 Nécessité de caractériser le comportement des bétons ordinaires sous fort niveau de contrainte Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

Cadre de recherche Maîtrise du comportement du béton sous impact Effet de la vitesse de chargement sur la réponse du béton Barres de Hopkinson (JRC-ISPRA) Validation Tirs sur cibles (CEG) 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) Influence du trajet de chargement T. GABET (Thèse GABET 11/2006) Influences du degré de saturation et du rapport eau/ciment Xuan Hong VU Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

Essais statiques et dynamiques Essai dynamique Difficulté : béton et impacts Matériau complexe Difficile à maîtriser Sollicitation complexe (Amplitude, Trajet de chargement) Instrumentation délicate Sandia National Laboratories Essais dynamiques en vraie grandeur : coûteux 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

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

Comportement du béton sous fort confinement 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

Mise au point des essais

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Influence du degré de saturation

Compression triaxiale Influence du degré de saturation Degré de saturation Sr = 1- Meau/ Vech eau ~ 12% 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% Compression triaxiale sx p p=50 p=200 p=100 p=400 q=sx-p p=650 MPa Chemin de chargement p=0 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

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

Comportement volumique (1/3) Béton saturé Sr ~ 100% 3ex (%) ev Béton sec Sr ~ 11% 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 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

Comportement volumique (2/3) p = 0 MPa p = 50 MPa Microfissurations du béton, induites par le processus de séchage (avant essai) 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 sm < 70 MPa : 70 MPa < sm < 300 MPa : compaction plus importante pour les échantillons saturés et humides Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

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

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

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 Bonne cohérence avec l’évolution du module tangent de la courbe de comportement volumique avec le confinement Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

Comportement déviatoire (3/4) p < 150 MPa p = 0 MPa p = 50 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 Comportements déviatoires proches pour des échantillons possédant des degrés de saturation différents : béton cohésif Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

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

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

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

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

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

Influence de E/C

Influence du rapport E/C : Bétons testés Formulation des bétons EC04 (E/C=0,4) Vpâte de ciment  0,25 m3/ m3 Gravier 2/8 Sable 0/2 1003 kg 832 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 0/2 1007 kg 838 kg Ciment-CEM I Eau 263 kg 169 l Air 34 l Porosité : 12 % Affais-sement 7cm R30A7 (E/C=0,64) EC08 (E/C=0,8) Gravier 2/8 Sable 0/2 990 kg 824 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

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

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

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 Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C E/C=0,64 ~ E/C=0,8 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

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 Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C 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

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 volumique Comportement déviatoire Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/C Module tangent de la courbe de comportement volumique identique à fort confinement 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 Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence de E/C Conclusions

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

Conclusion et perspectives

Conclusion – Mise au point d’essais 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 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

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

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

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 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 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

Perspectives - Influence de la composition du béton Composition du squelette (G/S et Dmax) (à venir Xuan Hong VU) Volume de pâte / volume de granulats (à venir Xuan Hong VU) 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

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 PLAN Laboratoire Sols Solides Structures – Risques, Université de Grenoble Motivations Mise au point des essais Influence du degré de saturation Influence du rapport E/C Conclusions et perspectives