Comportement au jeune âge de bétons formulés à base de

Université Libre de Bruxelles
Faculté des Sciences Appliquées
Service BATir
Service Matières et Matériaux
Comportement au jeune âge de bétons formulés
à base de ciment au laitier de haut fourneau en
condition de déformations libre et restreinte
Aveline Darquennes
Thèse effectuée sous la direction des Professeurs
Bernard ESPION et Marie-Paule DELPLANCKE
et présentée en vue de l’obtention du titre de docteur en sciences de l’Ingénieur
Année académique 2008-2009
Soutenue le 19 novembre 2009 à 15h00
En vue de l’obtention du grade académique de Docteur en Sciences de l’Ingénieur
Devant le jury composé de :
Président du Jury :
Prof. Jean-Claude Verbrugge
Université Libre de Bruxelles
Membres du Jury :
Prof. Luc Courard
Université de Liège
Prof. Ahmed Loukili
Ecole Centrale de Nantes
Prof. Stéphanie Staquet
Université Libre de Bruxelles
Directeurs de la thèse :
Prof. Bernard Espion
Université Libre de Bruxelles
Prof. Marie-Paule Delplancke
Université Libre de Bruxelles
Remerciements
Ce travail a été réalisé sous la direction des Professeurs Bernard Espion et Marie-Paule
Delplancke. Qu’il me soit permis par la présente de leur exprimer mes remerciements pour les
conseils et le soutien qu’ils m’ont prodigués tout au long de ce travail.
Je tiens également à remercier le Professeur Stéphanie Staquet pour ces conseils judicieux et
les nombreuses discussions que nous avons eues sur les diverses problématiques
expérimentales.
J’adresse également mes vifs remerciements à l’équipe du CRIC qui m’a apporté son soutien
tant sur le plan matériel que personnel tout au long de ma campagne expérimentale.
Je souhaiterais remercier Nele De Belie, Professeur à l’Université de Gand, pour m’avoir
permis de réaliser mes premiers essais de suivi de la prise à l’aide du dispositif FreshCon.
Mes remerciements vont également à Monsieur Gilles Vanhooren et Monsieur Olivier
Leclerq, techniciens au Service BATir, qui m’ont permis de réaliser les différents dispositifs
expérimentaux présentés dans ce travail ; ainsi qu’à Monsieur Patricio Madau, technicien au
Service Matières et Matériaux, qui m’a prodigué de nombreux conseils sur les méthodes
d’analyse de la microstructure des matériaux cimentaires.
Mes remerciements s’adressent également au Fonds pour la Recherche dans l’Industrie et
l’Agriculture qui a financé une partie de cette recherche.
Je remercie chaleureusement ma famille, ainsi que Sana, Srdan, Nicolas, Pascal, Sonia,
Cédric, Polyka et Barbara, pour leur soutien permanent au cours de ces quatre années.
Finalement, un grand merci à toutes les personnes qui d’une manière ou d’une autre m’ont
apporté leur aide et leurs conseils pour mener à bien ce travail.
Résumé
A l’heure actuelle où la préservation de notre environnement est primordiale, les constructions
en béton font intervenir de plus en plus des ciments comprenant des ajouts minéraux, tels que
le laitier, les cendres volantes… En effet, la production des ciments composés permet de
réduire le dégagement des gaz à effets de serre et de réutiliser des déchets industriels. Les
bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau (CEM III) sont également
largement utilisés suite à leur bonne résistance aux réactions alcali-silices, à la diffusion des
chlorures et aux attaques sulfatiques… Cependant, certains ouvrages construits avec ce type
matériau ont présenté au jeune âge des problèmes de fissuration liés à la restriction de leurs
déformations différées, telles que le retrait endogène, thermique et de dessiccation. Suite à
cette observation, des essais préliminaires ont été réalisés au laboratoire du service BATir de
l’Université Libre de Bruxelles. Ils ont mis en avant plusieurs caractéristiques du
comportement de ces matériaux :
1. Lors du suivi du retrait restreint à l’aide de l’essai à l’anneau en condition de dessiccation,
le béton formulé à base de ciment au laitier de haut-fourneau a fissuré bien avant le béton
formulé à base de ciment Portland.
2. Le retrait total en condition libre du béton formulé à base de ciment au laitier de hautfourneau est nettement supérieur à celui du béton formulé à base de ciment Portland. Cette
différence de comportement est principalement due à l’accroissement rapide et plus élevé du
retrait endogène des bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau.
Au vu de ces résultats expérimentaux, il a semblé intéressant de déterminer quel était l’impact
de la déformation endogène des bétons formulés à base de ciments au laitier de haut-fourneau
(CEM III) sur leur sensibilité à la fissuration. Afin de répondre à cette question, les
déformations différées (retrait endogène, fluage propre en compression et en traction) au
jeune âge de trois compositions de béton avec différentes teneurs en laitier (0, 42 et 71%) ont
été étudiées expérimentalement en conditions libre et restreinte. Cependant, le suivi du retrait
endogène libre et restreint a nécessité le développement de plusieurs dispositifs
expérimentaux limitant au maximum les artefacts de mesure, tels que la TSTM (Temperature
Stress Testing Machine). De plus, l’interprétation de ces résultats expérimentaux a également
nécessité une caractérisation du comportement de ces matériaux à l’échelle macro- et
microscopique.
Finalement, cette étude a montré que malgré une déformation endogène plus élevée, les
bétons formulés à base de ciment au laitier de haut-fourneau fissurent après le béton formulé à
base de ciment Portland. Ce comportement est dû à :
-l’impact du laitier sur la réaction d’hydratation du matériau cimentaire ;
-la présence d’une expansion de la matrice cimentaire des bétons formulés à base de ciment
au laitier de haut-fourneau au jeune âge qui retarde l’apparition des contraintes de traction au
sein du matériau ;
-la plus grande capacité de ces matériaux cimentaires à relaxer les contraintes de traction
Mots-Clés : Ciment au laitier de haut-fourneau, comportement au jeune âge, fissuration,
fluage propre en traction, relaxation, retrait endogène, TSTM.
Abstract
Today, the use of concretes with mineral additions (fly ash, slag) for civil engineering
structures is spreading worldwide. Indeed, the production of blended cements is more
respectful of the environment than the production of Portland cement, because it allows
reducing greenhouse gas emissions and using industrial wastes. Slag cement concretes are
also largely used for their good resistance to alkali-silica reactions, sulphate attacks and
chloride diffusion. However, some of constructions built with slag cement concretes have
exhibited cracking at early age due to their restrained deformations, such as thermal,
autogenous and drying shrinkage. Following these observations, a preliminary experimental
study was realized in the laboratory of BATir Department at ULB. It revealed several
characteristics of the behaviour of slag cement concretes:
1. The study of restrained deformations under drying conditions by means of ring tests
showed that the slag cement concretes seem more prone to crack than the Portland cement
concretes;
2. The total free shrinkage for slag cement concrete is clearly larger than for Portland cement
concrete. This difference of behaviour is mainly due to the fast and large increase in the
autogenous deformation of the slag cement concrete.
Following these experimental results, the effect of the autogenous deformation on the
cracking sensibility of slag cement concretes seemed interesting to investigate. Their
deformations (autogenous deformation, compressive and tensile basic creep) have been
studied at early age for three concretes characterized by different slag contents (0, 42 and
71%) under free and restrained conditions. For monitoring free and restrained autogenous
deformations, several test rigs aimed at limiting artefacts were designed, like the TSTM
(Temperature Stress Testing Machine). Moreover, the behaviour of these concretes was also
characterized by a study at a macro- and microstructure scale.
Finally, this study shows that the slag cement concretes under sealed and fully restrained
conditions crack later than the Portland cement concrete, despite the fact that they are
characterized by the largest autogenous deformation. This behaviour is due to:
- the slag effect on the hydration reaction of cementitious material;
- the cement matrix expansion of the slag cement concretes at early age which delays the
occurrence of tensile stresses inside the material;
- the largest capacity of this concrete to relax tensile stresses.
Key-words: Slag cement concrete, behaviour at early age, cracking, tensile basic creep,
autogenous deformation, TSTM.