Rôles de la température et de la composition sur le couplage thermo-hydro-mécanique des bétons, Role of temperature and composition on the thermal-hydral-mechanical coupling of concretes

N° d’ordre : 107

ECOLE CENTRALE DE LILLE


THESE

présentée en vue
d’obtenir le grade de

DOCTEUR



Spécialité : Génie Civil

par

Flore BRUE

DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE

Titre de la thèse :
ROLES DE LA TEMPERATURE ET DE LA COMPOSITION SUR LE COUPLAGE
THERMO-HYDRO-MECANIQUE DES BETONS

Soutenue le 09 octobre 2009 devant le jury d’examen :

Président Mr Abdelkarim Ait-Mokhtar Université de la Rochelle

Rapporteur Mme Myriam Carcasses Université Paul Sabatier Toulouse

Rapporteur M. Abdelhafid Khelidj Université de Nantes

Membre M. Xavier Bourbon Andra

Directeur de thèse M. Nicolas Burlion Université Lille 1

Co-directeur de thèse M. Frédéric Skoczylas Ecole Centrale de Lille





Thèse préparée au Laboratoire de Mécanique de Lille
EDSPI 072



tel-00578753, version 1 - 22 Mar 2011RESUME

Le projet français de stockage des déchets nucléaires, géré par l’Andra, nécessite l’acquisition
de données expérimentales sur la durabilité des bétons de référence. Dans cette étude, les
sollicitations prises en compte sont les processus de désaturation/resaturation, la charge
thermique et l’évolution mécanique. Ainsi l’analyse porte ainsi sur le couplage thermo-hydro-
mécanique des bétons de référence de l’Andra, fabriqués à base de ciment CEM I et CEM
V/A. L’état de saturation en eau et les retraits des matériaux, soumis à la dessiccation ou à la
resaturation, sont conditionnés par les différentes conditions thermiques et hydriques
imposées, ainsi que par leurs caractéristiques microstructurales. Par ailleurs, l’étude de
l’évolution mécanique est approfondie à 20°C en fonction de l’état de saturation en eau. A
court terme, différents essais ponctuels mettent en évidence un endommagement hydrique qui
conditionne le comportement mécanique. A long terme, l’étude du fluage sous dessiccation
révèle le couplage existant entre la durabilité, l’évolution mécanique des matériaux et la
dessiccation.


ABSTRACT

The French project of the storage of nuclear wastes, which is managed by the Andra, needs
some experimental data on the durability of the concrete. Loadings which are taken into
account are the desaturation/resaturation processes, the heat load and the mechanical
evolution. Hence this study focuses on the coupling thermo-hydro-mechanical on concretes of
the research program of Andra, made with CEM I and CEM V/A cement type. The water
saturation degree and shrinkages of materials, which are subjected to desiccation or
resaturation, are dependent on the imposed thermal and hydrous conditions and on their
microstructural characteristics. Moreover the study of the mechanical evolution is gone
further at 20°C in function of the water saturation degree. Different short-term tests highlight
a hydrous damage, which determine the mechanical behaviour. The long-term study of
desiccation creep shows the coupling between the durability, the mechanical evolution and the
desiccation.



















tel-00578753, version 1 - 22 Mar 2011































tel-00578753, version 1 - 22 Mar 2011SOMMAIRE

Introduction générale ................................................................................................... p. 4

PARTIE 1 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE

Introduction ........................................................................................................................ p. 11

I. Les bétons ................................................................................................................... p. 11
I.1. Le ciment ..................................................................................................................... p. 11
I.2. L’hydratation du ciment Portland ................................................................................ p. 12
I.3. Structure des hydrates formés ...................................................................................... p. 13
I.4. Porosité et distribution de porosité .............................................................................. p. 14
I.5. Développement mécanique du matériau ...................................................................... p. 16
I.6. Propriétés de transfert .................................................................................................. p. 18
I.6.1. La perméabilité ......................................................................................................... p. 18
I.6.2. La diffusion ............................................................................................................... p. 24
I.7. Le retrait endogène ...................................................................................................... p. 26
I.8. Acquis et discussion ..................................................................................................... p. 28

II. La dessiccation des matériaux cimentaires .................................................. p. 29
II.1. Principe des isothermes de sorption d’eau .................................................................. p. 29
II.2. Le retrait de dessiccation ............................................................................................ p. 31
II.3. Effets mécaniques de la dessiccation .......................................................................... p. 35
II.4. Acquis et discussion ................................................................................................... p. 38

III. Couplage hydro-mécanique : influence de la dessiccation sur le
comportement mécanique du matériau ............................................................... p. 38
III.1. Influence de la dessiccation sur le comportement mécanique à court terme ............ p. 39
III.1.1. Sous sollicitation de compression ........................................................................ p. 39
III.1.1.1. Evolution de la résistance uniaxiale ................................................................... p. 40
III.1.1.2. Evolution de la résistance triaxiale ..................................................................... p. 42
III.1.1.3. Comparaison des propriétés élastiques .............................................................. p. 44
III.1.2. Sous sollicitation de traction ................................................................................ p. 46
III.1.2.1. La traction par fendage ....................................................................................... p. 47
III.1.2.2. La traction par flexion ......................................................................................... p. 48
III.2. Comportement mécanique à long terme : le fluage de dessiccation ......................... p. 50
III.2.1. Les mécanismes du fluage propre ........................................................................ p. 51
III.2.1.1 Le fluage propre à court terme ............................................................................ p. 53
III.2.1.2. Le fluage propre à long terme ............................................................................. p. 54
III.2.2. Les mécanismes du fluage de dessiccation .......................................................... p. 54
III.3. Influence du chargement mécanique sur la durabilité ............................................... p. 56
III.4. Acquis et discussion .................................................................................................. p. 59

PARTIE 2 : DEMARCHE EXPERIMENTALE

Introduction ......................................................................................................................... p.61

1
tel-00578753, version 1 - 22 Mar 2011I. Matériaux étudiés .................................................................................................... p. 62
I.1. Propriétés des bétons de référence de l’Andra ............................................................. p. 62
I.2. Fabrication des échantillons ......................................................................................... p. 65

II. L’étude des processus de désaturation/resaturation en fonction de la
température ................................................................................................................... p. 67
II.1. Condit