caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement :

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 2007 - Grenoble

n°2/47

Plan

• Motivations

• Mise au point des essais

• Influence du degré de saturation

• Influence du rapport E/C

• Conclusions et perspectives

n°3/47

Contexte Etude de la vulnérabilité des infrastructures massives en béton (centrales

nucléaires, barrages, ouvrages d’art ...)

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

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)


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


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 confinementDegré de saturation

?


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)


n°8/47

Mise au point des essais

n°9/47

8 mm Echantillon de béton

7 cm

p <

0,8

5 G

Pa

x < 2,3 GPa

14

cm

Dispositif expérimental (resp. tech. : Roger SABBIA)

Cellule de confinement

Presse triaxiale GIGA

Principaux organes Vérin

multiplicateur

Vérin axial

Béton

Instrumentation : 1 LVDT et 3 Jauges

Jauge


Vue en coupe de la cellule

n°10/47

Protection des échantillons et jauges : difficultés

béton

Porosité macroscopique

perforation de la membrane et des jauges

+Forte pression de confinement


Membrane

Jauge

Enclume

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)


n°12/47

Influence du dispositif de protection sur la mesure des jauges

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

(bouclier+latex)

(bouclier seul)

(latex seul)

p (MPa)

(%)

p

p

Effet du dispositif de protection négligeable

Test hydrostatique sur polycarbonate


n°13/47

Béton

CarbureCarbure

0

500

1000

1500

2000

2500

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

Analyse des sources d’erreurs sur les mesures de déformations

(%)

x

(MPa)

LVDT mes

Jauges

Test triaxial sur carbure de tungstène

?

?

x

Ph

ase h

yd

rosta

tiq

ue

Ph

ase d

évia

toir

e


p

x

Effet de la pression sur les mesures des déformations ?

Caractéristiques élastiques du carbure de tungstène ?

n°14/47

Caractérisation du carbure de tungstène

0

400

800

1200

1600

-0,1 0 0,1 0,2 0,3

1

(MPa)

(%)

x(JA) (JO)

CS (10-3-2006)

CS (30-5-2006)

CS (20-3-2006)

x

(MPa)

Essai de compression simple sur carbure de tungstène

Module de compressibilité K= 361 GPaE=563 GPa

=0,24

Jauges


x

n°15/47

Effet de la pression : Compensation

Effet de la pression sur les jauges négligeable

Prise en compte de l’effet de la pression sur le LVDT

0

100

200

300

400

500

600

700

-1,5 -1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0 0,3

e = 30 mm p

(MPa) ux (JA1, exp, JA2)

u(p, e) utotal

u (mm)

Compensation (pression)

Essai hydrostatique sur carbure de tungstène

LVDT mes

Jauge

calculée (CS)


p

p

n°16/47

Effet de la pression : validation

0

100

200

300

400

500

600

700

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

p (MPa)

e = 30 mm

x (utotal)

(%)

x (ux)

(JA1, JO, JA2)

Bonne cohérence LVDT/jauges après correction

e = 30 mmEssai hydrostatique sur polycarbonate

LVDT mes

LVDT compensé

Jauges


p

p

n°17/47

Béton

CarbureCarbure

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Effet de la déformation des enclumes sur le LVDT

Essai de compression simple sur carbure de tungstène

Force déviatoire : Fd = F - pS

Prise en compte de la rigidité des enclumes

LVDT mes

Jauge

Compensation (Fd)


x

Fd

(kN)

u (mm)

n°18/47

Béton

CarbureCarbure

0

500

1000

1500

2000

2500

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

Validation des compensations

Bonne cohérence LVDT/jauges après correction

Jauges

LVDT mes

LVDT

compensé

x

Ph

ase h

yd

rosta

tiq

ue

Ph

ase d

évia

toir

e

Capacité à réaliser des essais fiables

Maîtrise du traitement des mesures

Test triaxial sur carbure de tungstène


p

x

(%)

x

(MPa)

n°19/47

Formulation du béton R30A7

Sable

0/2

838kg 263kg

169l

ciment

1007kg

air

Gravier

2/8eau

34l

Béton frais

- Affaissement 7 cm

- E/C=0,64

Béton durci

- Résistance 30 MPa

- Porosité du béton ~ 12 %

- Porosité de la pâte ~ 40 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42Module

Pa

ss

an

ts c

um

ulé

s (

%)

Sable D1800µm

D 0,5/8

Mélange R30A7

Droite de DREUX

Tamis 0 0,08 0,1 0,12 0,16 0,2 0,25 0,31 0,4 0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2,2 2,5 1,6 4 5 6,3 8 10 12,5

(mm)

But : Béton ordinaire et reproductible

CEM I - Vicat


Echantillons de béton reproductibles

Procédure de fabrication du béton détaillée

n°20/47

Influence du degré de saturation

n°21/47


Sr = 1- Meau/ Vech eau

~ 12%

Degré de saturation


Compression triaxiale

x

p

x

pp=50

p=200

p=100

p=400

q=x-pp=650 MPa

Chemin de chargement

pp=0

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%

n°22/47

Comportement axial

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

(%)

x (M

Pa)

100(*)

400(*)

200(*)

p=650MPa

0 50

x Béton sec

Sr ~ 11%

(*) GABET 2006

Effet important du degré de saturation à fort confinement

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600800

1000

1200

14001600

(%)

x (M

Pa)

400MPa;50%

650MPa;70%

200MPa;70%

0;42%

x

Béton humide

Sr ~ 70% ;

50% ; 42%

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600800

1000

1200

14001600

(%)

x (M

Pa)

400 (n1)

100

p=650MPa

x

50MPa

400 (n2)

Béton très humide

Sr ~ 85%

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600800

1000

1200

14001600

(%)

x (M

Pa)

400

100

p=650MPa

x

0

200

50

Béton saturé

Sr ~ 100%


n°23/47

Comportement volumique (1/3)

-2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

)

100

400

200

p=650MPa

0 50

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%

-2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

)

400

100

p=650MPa

200

50

3x (%)

v


-2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

)

400MPa; 50%

650MPa;70%

200MPa;70%

0;42%

Béton humide

Sr ~ 70% ;

50% ; 42%

-2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

)

400 (n1)

100

p=650MPa

50

400 (n2) Béton très humide

Sr ~ 85%

n°24/47


-0.2 -0.1 0 0.1 0.20

5

10

15

v (%)

m (

MPa

)

Sr=11%

Sr=42% p = 0 MPa


p = 50 MPa

0 0.5 1 1.5 2 2.50

20

40

60

80

100

120

v (%)

m (

MPa

)

Sr=11%

Sr=85%

0 1 2 3 4 50

50

100

150

200

v (%)

m (

MPa

) Sr=11%

Sr=85%

p = 100 MPa

0 1 2 3 4 5 6 70

100

200

300

400

v (%)

m (

MPa

)

Sr=11%

Sr=100%

Sr=70%

p = 200 MPa

- Réduction de la rigidité de la matrice cimentaire (avant essai)

- Effet de lubrificationcompaction plus faible pour les échantillons saturés et humidesm < 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)

n°25/47



0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

)

Sr=70%

Sr=85%

Sr=11%

p = 650 MPa

Effet de pression interstitielle

0 2 4 6 8 10 120

100

200

300

400

500

600

700

v (%)

m (

MPa

)

Sr=11% 50% 85% (n2)

85% (n1)

p = 400 MPa

m> 300 MPa :

compaction plus faible pour les échantillons saturés et humides

n°26/47

Comportement déviatoire (1/4)

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

(%)

q (M

Pa)

p=650MPa

0 50

200

x

400

100

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

(%)

q (M

Pa)

0

100 ; 400

200

x

p=650MPa

50

Béton saturé - Sr~100%

Béton sec - Sr~11%

qmax ~ 200 MPa quel que soit le confinement si saturé

Confinement plus élevé :


- Béton plus raide- Niveaux de contraintes atteints plus élevés

n°27/47


-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.50

50

100

150

200

250

(%)

q (M

Pa) 650

p=0MPa

50

200

x

400

100

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.50

50

100

150

200

250

(%)

q (M

Pa)

p=650MPa

0

50

200

x

400

100

Béton saturé - Sr~100%

Béton sec - Sr~11%


Evolution de la raideur tangente avec le confinement

Endommagement progressif de la matrice cimentaire

Effondrement de la porosité du matériau

Bonne cohérence avec l’évolution du module tangent de la courbe de comportement volumique avec le confinement

n°28/47


-0.6 -0.3 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.50

10

20

30

40

50

(%)

x (M

Pa)

Sr=11%

42%

Sr=100% (A0-2; A0-3)

p = 0 MPa

Effet de séchage du béton avant essai

p = 50 MPa p = 100 MPa

-4 -2 0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

(%)

q (M

Pa)

Sr=11%

85%

100%

-4 -2 0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

(%)

q (M

Pa)

11% 85%

Sr=100%

Réduction de la rigidité de la matrice cimentaire pour des échantillons saturés et humides avant essai


p < 150 MPa

Comportements déviatoires proches pour des échantillons possédant des degrés de saturation différents : béton cohésif

n°29/47


-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

100

200

300

400

500

(%)

q (M

Pa)

Sr=11%

70%

100%

-4 0 4 8 12 160

200

400

600

800

1000

(%)

q (M

Pa)

Sr=11%

50%

100%

85% (n1)

85% (n2)

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 140

200

400

600

800

1000

(%)

q (M

Pa)

Sr=11%

70%

100% 85%

p = 200 MPa

p = 400 MPa

p = 650 MPa


p > 150 MPa

qmax borné pour les échantillons saturés et humides : effets de pression interstitielle et de lubrification

Comportements similaires à faible déformation

n°30/47

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

m

(MPa)

q (M

Pa)

Courbe d’état limiteEtat limite = transition contractance - dilatance

Sec

Sr=11%


n°31/47

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

m

(MPa)

q (M

Pa)


Sec

Sr=11%

100%

Courbe d’état limite identique à faible confinement

Pas d’augmentation de qmax avec le confinement si saturé


n°32/47

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

m

(MPa)

q (M

Pa)

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

m

(MPa)

q (M

Pa)


Fermeture de la porosité non

saturée

Sec

Sr=11%

70%

85%

100%

50%

Courbe d’état limite identique à faible confinement

Pas d’augmentation de qmax avec le confinement si saturé


n°33/47

0 200 400 600 800 10000

200

400

600

800

1000

m

(MPa)

q (M

Pa)

Modes de rupture observés


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 :

n°34/47

Influence de E/C

n°35/47

Influence du rapport E/C : Bétons testés

R30A7

(E/C=0,64)

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 %


1007 kg 838 kg

Ciment-CEM I Eau

263 kg 169 l

Air

34 lPorosité :

12 %

Affais-sement 7cm

Formulation des bétons

EC08

(E/C=0,8)


990 kg 824 kg

Ciment-CEMI Eau

221 kg 178 l

Air

50 l

Affais-semen

t 14 cm

Porosité : 14 %


n°36/47

Echantillons de béton : EC08, R30A7 (EC06), EC04

Secs = séchés dans une étuve à 50°C - Sr~11%

Essais réalisés


x

p

x

p p=50(EC08, R30A7)

p=200(R30A7, EC04)

p=100(EC08, R30A7, EC04)

q=x-pp=650 MPa

(EC08, R30A7, EC04)

pp=0(EC08, R30A7, EC04)


Chemin de chargement

n°37/47

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

50

100

150

200

(%)q

(MPa

)

-13%

E/C= 0,8

0,64

x

p = 50 MPa

Diminution de l’écart entre les résistances respectives avec l’augmentation de p

Comportement déviatoire

Comportements volumique et déviatoire (1/4)

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

20

40

60

80

(%)

x (M

Pa) 74%

-29%

0,8

0,64

E/C=0,4

x

p = 0 MPa


Comportement déviatoire

E/C = 0,4 : Béton EC04 E/C = 0,64 : Béton EC06 (R30A7) E/C = 0,8 : Béton EC08

n°38/47

-1 0 1 2 3 40

50

100

150

200

v (%)

m (

MPa

)

0,8

0,64

E/C=0,4

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 120

50

100

150

200

250

300

350

(%)q

(MPa

)

21%

4%0,8

0,64

E/C=0,4

x

p = 100 MPaComportement 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)


(*)

(*)

(*) GABET 2006


n°39/47

p = 200 MPa

Comportement volumique Comportement déviatoire

Compaction plus importante pour les grandes valeurs de

E/C

0 1 2 3 4 5 6 70

100

200

300

400

v (%)

m (

MPa

)

0,64 E/C=0,4

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

(%)q

(MPa

)

9%

0,64

E/C=0,4

x

Diminution de l’écart entre les résistances respectives avec l’augmentation de p



(*)

(*)

(*) GABET 2006


n°40/47

0 3 6 9 12 150

200

400

600

800

1000

v (%)

m (

MPa

) 0,8

0,64

0,4(n2)

E/C=0,4(n1)

-4 -2 0 2 4 6 8 10 120

200

400

600

800

1000

1200

(%)q

(MPa

)

0,8

0,64

0,4(n2)

E/C=0,4(n1)

x

p = 650 MPaComportement 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


Compaction plus importante pour les grandes valeurs de E/CModule tangent de la courbe de comportement volumique identique à fort confinement



n°41/47

Aucun effet de E/C au delà d’une pression critique pc

Influence du rapport E/C : Etat limite

0 200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

m

(MPa)

q/ q

EC

06

E/C =0,64Courbe limite (E/C = 0,8)E/C = 0,8E/C = 0,4Courbe limite (E/C = 0,4)

E/C=0,64 (réf.)E/C=0,8

E/C=0,4

pc


n°42/47

Conclusion et perspectives

n°43/47

Conclusion – Mise au point d’essais

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 rapport eau/ciment

Méthodologie


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 raideSous très fort confinement

qmax ~ 200 MPa

Effets de pression interstitielle et de lubrification

qatteint ~ 900 MPa

p=650 MPa

sec

saturé


comportement ductile sans écrouissage

comportement durcissant avec écrouissage positif


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

n°45/47

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

Conclusion - Influence du rapport E/C

Le béton se comporte comme un empilement granulaire sous très fort confinement


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 l’essai

Essais sur des bétons possédant des degrés de saturation intermédiaires

Compléter les courbes d’états-limites

Essais permettant le drainageEffet de lubrification et effet de pression interstitielle

Influence de la vitesse de déformation sur le comportement du béton


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 Dmax) (à venir Xuan Hong VU)


(à venir Xuan Hong VU)

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 2007 - Grenoble

• Motivations• Mise au point des

essais• Influence du degré de saturation• Influence du rapport E/C

• Conclusions et perspectives

caractérisation expérimentale du béton sous fort confinement :

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