1

Benchmark CEOS.fr « Comportement sous chargement thermo-hydrique »

Principe Trois essais complémentaires sont proposés, chacun d’eux s’intéresse à un contexte THM caractérisé par un chargement dominant (jeune âge, hydrique, thermique) :

- Le premier concerne le risque de fissuration au jeune âge due aux gradients THM associés à l’hydratation dans un voile en béton de 1,20 m d’épaisseur situé à l’extérieur, il s’agit du voile expérimental EDF de Civaux.

- Le second s’intéresse aux déformations à long terme en contexte hydrique variable (chargement hydrique dominant) et température modérée constante (38°C), il s’agit de deux poutres en béton (l’une est armée, l’autre est non armée) suivies pendant plus d’un an au LCPC.

- Le troisième concerne un chargement thermique dominant (jusqu’à 200°C) appliqué à une structure massive axisymétrique en béton armé (Maqbeth), l’essai a été réalisé au CEA.

Compte tenu de la diversité de ces essais d’une part et de la spécialisation des partenaires du projet d’autre part, chaque partenaire devra traiter au moins deux cas test de son choix parmi les trois proposés.

2

Sommaire du document

1 JEUNE AGE : HYDRATATION DU VOILE EXPERIMENTAL EDF D E CIVAUX......................... 3

1.1 CONTEXTE............................................................................................................................................ 3 1.2 DESCRIPTION DE L’ESSAI...................................................................................................................... 3

1.2.1 Géométrie........................................................................................................................................ 3 1.2.2 Conditions initiales et conditions aux limites.................................................................................. 3 1.2.3 Matériaux ........................................................................................................................................ 4

1.3 RESULTATS DISPONIBLES...................................................................................................................... 7 1.3.1 Courbes de température .................................................................................................................. 7 1.3.2 Facies de fissuration ....................................................................................................................... 8

1.4 TRAVAIL DEMANDE .............................................................................................................................. 9 1.4.1 Description du modèle et calage des paramètres............................................................................ 9 1.4.2 Simulation numérique des deux voiles ............................................................................................ 9

1.5 REFERENCES....................................................................................................................................... 10

2 RETRAIT : DEFORMATIONS DES POUTRES LCPC ...................................................................... 11

2.1 CONTEXTE.......................................................................................................................................... 11 2.2 DESCRIPTION DE L’ESSAI.................................................................................................................... 11

2.2.1 Géométrie...................................................................................................................................... 11 2.2.2 Conditions initiales et conditions aux limites................................................................................ 12 2.2.3 Matériau........................................................................................................................................ 12

2.3 RESULTATS DISPONIBLES.................................................................................................................... 14 2.3.1 Suivi hydrique des poutres ............................................................................................................ 14 2.3.2 Suivi structurel .............................................................................................................................. 15 2.3.3 Comportement à rupture après les cycles hydriques..................................................................... 17 2.3.4 Données disponibles supplémentaires........................................................................................... 17

2.4 TRAVAIL DEMANDE ............................................................................................................................ 18 2.4.1 Description du modèle utilisé et calage des paramètres ............................................................... 18 2.4.2 Simulation des deux poutres.......................................................................................................... 18

2.5 REFERENCES....................................................................................................................................... 18

3 TEMPERATURE : MAQUETTE MAQBETH DU CEA.............. ........................................................ 19

3.1 CONTEXTE.......................................................................................................................................... 19 3.2 DESCRIPTION DE L’ESSAI.................................................................................................................... 19

3.2.1 Géométrie...................................................................................................................................... 19 3.2.2 Condition initiales et conditions aux limites ................................................................................. 20 3.2.3 Matériau........................................................................................................................................ 21

3.3 RESULTATS DISPONIBLES.................................................................................................................... 22 3.3.1 Comportement général de la maquette.......................................................................................... 22 3.3.2 Profils de température................................................................................................................... 24 3.3.3 Profils d’humidité relative............................................................................................................. 25 3.3.4 Profils de pressions interstitielles ................................................................................................. 26

3.4 TRAVAIL DEMANDE ............................................................................................................................ 26 3.4.1 Description du modèle et calage des paramètres.......................................................................... 26 3.4.2 Simulation numérique de l’histoire THM de la maquette ............................................................. 26

3.5 REFERENCES....................................................................................................................................... 27

3

Présentation des cas d’étude

1 Jeune âge : Hydratation du voile expérimental EDF de Civaux

1.1 Contexte La problématique est celle de l’évaluation du risque de fissuration au jeune âge d’ouvrages massifs. Le cas choisi présente les avantages suivants :

- géométrie simple mais suffisamment massive pour être représentative d’un ouvrage réel - ferraillage important - phasage réaliste de mise en œuvre (fondation, 1ère levée, 2nde levée…) - résultats disponibles assez nombreux (suivi des températures, plans de fissuration…)

1.2 Description de l’essai EDF a instrumenté par des thermocouples deux voiles en béton armé situés sur le site de la centrale de Civaux, l’un en BO, et l’autre en BHP, afin de suivre l’évolution des températures suite à la thermo-hydratation et d’en observer les conséquences en terme de fissuration.

1.2.1 Géométrie Les deux voiles ont une épaisseur d’1.20 m. La longueur de chacun d’eux est de 20 m. Une reprise de bétonnage a été réalisée. La hauteur de la première levée est de 1,90 m. La hauteur de la 2ème levée est de 0,90 m. Le ferraillage est constitué de deux treillis reliés entre eux par des épingles (Figure 1-1).

120 cm

HA 20 3m15 enrobage 7 cm espacement 20 cm

HA 20 (3m15, retour 1m10 enrobage 7 cm espacement 20 cm)

Epingles HA12 espacées verticalement de 18 cm sur toute la hauteur et de 40 cm horizontalement (en quinconce sur une trame 20 cm×18 cm), supportant des gaines de précontraintes vides (Ø14 cm) disposées en quiconque (1ère gaine à 24 cm du radier sur l’alignement 71 cm, sur 2ème épingles, la première épingle étant à 6 cm du radier)

HA 20 longitudinaux espacés de 18 cm (longueur 6 m, recouvrement 40 cm, 1er lit à 5cm du radier)

190 cm Levée 1

Levée 2 90 cm

Radier 40 cm

50 cm 71 cm

95 cm Alignement des gaines de précontrainte vides

Gaines de précontrainte (Ø14 cm) verticales vides espacées horizontalement de 40 cm

Figure 1-1 : Ferraillage du voile V1 de Civaux

1.2.2 Conditions initiales et conditions aux limites La température du béton frais est de 17°C pour le B HP et 19°C pour le BO. La température initiale du radier sur lequel est coulé le voile est de 7°C pou r le BO, 10°C pour le BHP. La température extérieure a été mesurée pendant les essais (Figure 1-2 et Figure 1-3) Coefficient d’échange à la surface libre de béton: h=35 kJ/(h.m².K) Coffrage : - Surfaces coffrées : toutes les surfaces latérales, coffrage maintenu tout au long des relevés de températures

4

- Coefficient d’échange équivalent au coffrage : 26.25 kJ/(h.m².K) (coffrage bois de 2 cm)

Température extérieure Civaux BO

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps (heures)

Tem

péra

ture

(°C

)

Figure 1-2: Température extérieure pour le BO

Température extérieure Civaux BHP

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps (heures)

Tem

péra

ture

(°C

)

Figure 1-3 : Température extérieure pour le BHP

1.2.3 Matériaux

1.2.3.1 Formulations Les formulations des bétons mis en œuvre sont les suivantes :

Maquette B11 Maquette BHP Granulats d’Arlaut

12,5/25 4/12,5

0/5

769 kg 303 kg 769 kg

890 kg 209 kg 873 kg

Ciment Airvault

CPA55 350 kg CPJ 55 PM 266 kg

Fumée de silice - 40,3 kg Eau d’ajout 195 l 161 l

Adjuvant 1,22 kg (plastiment HP)

9,08 kg (Rhéobuild)

Tableau 1-1 : Formulation des bétons de Civaux

1.2.3.2 Caractéristiques thermiques : Conductivité : 2.8 W/(m.K) Capacité massique : 950 J/(kg.K)

1.2.3.3 Chaleur et cinétique d’hydratation Energie d’activation B11 Ea/R= 4400, BHP Ea/R=4000. La chaleur d’hydratation devra être déduite de résultats d’essais quasi-adiabatique de type Langavant (350g de ciment, 175 g d’eau, 1100 g de sable normalisé) fournis ci-dessous.

5

Essai Langavant Granger - CIVAUX B11

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100 120

Temps (h)

Q (

J/g)

20

25

30

35

40

45

50

55

T (°C

)

Figure 4 : Essai Langavant normalisé sur Ciment du B11 Civaux (Q (J/g de ciment)

L’application au béton B11 de civaux conduit à la courbe de température quasi adiabatique ci-dessous.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00

Temps (h)

Q (

J/g

de c

imen

t )

T QAB B11 (°C)

Figure 5 : T QAB déduite de l'essai Langavant et calculée pour le B11 avec 350kg ciment /m3 de B11,

masse volumique 2387kg/m3, capacité calorifique massique 950 J/kg, T init 21.4°C Liant composé utilisé pour le BHP :

Essai Langavant Nectoux - CIVAUX BHP

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120

Temps (h)

Tad

(°C

)

Essai 1

Essai 2

Figure 6 : T QAB fournie pour le BHP de Civaux

1.2.3.4 Caractéristiques mécaniques instantanées Les caractéristiques des bétons sont celles fournies dans la thèse de Laurent Granger sous les références « B11 Civaux » pour le BO et « BHP Civaux ». Ces bétons étudiés en laboratoire sont sensiblement les mêmes que ceux mis en place (Tableau 1-2).

Maquette B11 Maquette BHP

6

E (28j) 33.7 36.7 E (1 an) 36.4 39.5 ν (28 j) 0.25 0.25 Rc (28j) 40.2 64.5 Rt (90j) 3.7 3.8

Tableau 1-2: Caractéristiques mécaniques

1.2.3.5 Caractéristiques mécaniques différées Le retrait endogène des bétons a été mesuré par Granger (béton âgé de 2 jours au début des mesures) :

Retrait infini (estimé par Granger)

Pour le B11 68,1 10-6 Pour le BHP 33,4 10-6

Figure 1-7 : Retraits endogènes (thèse L.Granger)

Déformations de fluage propre d’une éprouvette cylindrique 16x32 âgée de 28j soumise à un chargement longitudinal de 12 MPa (résultats de Granger)

Fluage propre sur éprouvette - CIVAUX B11

0

15

30

45

60

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000Temps (h)

Déf

orm

atio

n (µ

m/m

/MP

a)

Figure 1-8 : Fluage propre B11

7

Fluage propre sur éprouvette - CIVAUX BHP

0

6

12

18

24

30

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

Temps (h)

Déf

orm

atio

n (µ

m/m

/MP

a)

Figure 1-9 : Fluage propre BHP

1.3 Résultats disponibles

1.3.1 Courbes de température Des sondes de température ont été disposées dans les voiles comme indiqué sur la figure 1-8.

Dimensions en cm

Fondation

10

120

Levée 1

Levée 2

95

95 #4 #3

#1

#2

#A

90

10

#5

10 10

#6

#7 10 10

Figure 1-10 : Instrumentation du voile de Civaux Les courbes de température aux points de mesure sont reportées ci-dessous.

8

Figure 1-11 : Courbes de températures dans les voiles de Civaux

1.3.2 Facies de fissuration

9

Civaux BHP

Civaux B11

Figure 1-12 : Facies de fissuration des voiles de Civaux

L’ouverture des fissures a été mesurée :

• Civaux B11 : 8 fissures, (1×40 µm) + (4×100 µm) + (2×200 µm) + (1×500 µm) • Civaux BHP : 1 fissure, (1×100 µm)

1.4 Travail demandé

1.4.1 Description du modèle et calage des paramètres - Equations constitutives fondamentales (THM) - Lois d’évolution des paramètres matériaux (visualisation du calage sur essais mécaniques

jeune âge isotherme, courbes de retrait, fluage s’il y a lieu, chaleur adiabatique) - Maillage - Histoire des conditions aux limites (traitement du phasage des travaux)

1.4.2 Simulation numérique des deux voiles La simulation portera sur la période 0-28 jours, le coulage de la seconde levée ayant lieu à 7 jours. Décoffrage de l’ensemble à 10 jours.

- Courbes de température aux points de mesure (cf. Figure 1-10) - Courbes d’évolution du module d’Young et de la résistance en traction (sondes 3 et 5) - Courbes d’évolution de la contrainte dans le béton (sonde 3 et 5) - Courbes d’évolution de la contrainte dans les aciers longitudinaux (à mi longueur, en bas et à

mi hauteur du voile) - Evaluation de l’état de fissuration en fin d’essais et comparaison aux facies relevés sur les

ouvrages (Figure 1-12)

10

1.5 Références • Granger L. (1996), Comportement différé du béton dans les enceintes de centrales nucléaires.

Analyse et modélisation, Thèse de doctorat de l'ENPC, avril 1996. • Ithurralde, G., 1989. La perméabilité vue par le maître d’ouvrage, Colloque Béton à hautes

performances, Ecole Normale Supérieure, Cachan. • J. Nectoux, "Expérimentation d'un béton à haute performance destiné aux enceintes de

réacteur nucléaire", Annales de l'ITBTP, N°502, 199 2.

11

2 Retrait : Déformations des poutres LCPC

2.1 Contexte Ce cas test concerne la prédiction des risques de fissuration par retrait. Il s’agit ici de tester la capacité des modèles à reproduire l’amplitude des variations dimensionnelles liées aux transferts hydriques. En outre, les résultats expérimentaux fournissent également le comportement à rupture des structures étudiées.

2.2 Description de l’essai Les informations suivantes sont extraites de la thèse de S.Multon. Les poutres sont constituées d’un béton ordinaire dont les caractéristiques mécaniques et le comportement hydro-mécanique peuvent être déterminés à partir de résultats d’essais sur éprouvettes « 11-22 ». Les poutres ont été maintenues dans une salle climatisée (HR 30%, 38°C, figure ci-dessous) et ont fait l’objet d’un suivi hydrique particulièrement précis (suivi de masse et de profils hydriques), les mesures des déformations et des déplacements ont également été effectuées.

Figure 2-1 : Poutres LCPC en salle climatisée (HR 3 0%, 38°C), système de pesée et gamma-

densimètre

2.2.1 Géométrie Les dimensions des deux poutres sont : 0,25 m de large, 0,50 m de haut et 3 m de long , 2.80m entre appuis. L’une est armée (P6) et l’autre non armée (P3). Les appuis, simples, sont situés à mi hauteur des poutres.

2 ribbed #10 bars 2 ribbed #16 bars 2 ribbed #8 bars

350

Concrete cover: 30 mm

540 350 350350350350

Appuis simples

Figure 2-2 : Armatures de la poutre LCPC "P6"

12

2.2.2 Conditions initiales et conditions aux limites Les poutres P3 et P6 ont été soumises à des conditions aux limites hydriques conduisant en un premier temps à un séchage par la face supérieure et en un second temps à un remouillage de cette face. La face inférieure a quand à elle été constamment maintenue immergée (Figure 2-3).

Air à 30 % de HR

Immersion en eau du bas des poutres

70 mm

430 mm 250 mm

Surface supérieure en contact avec de l'eau

Faces latérales étanches

1 ère phase : "séchage" pendant 14 mois

2 è me phase : "remouillage"

pendant 9 mois

Figure 2-3 : Histoire hydrique des poutres LCPC

2.2.3 Matériau Le béton constitutif des poutres a été caractérisé sur des éprouvettes cylindriques soumises à diverses conditions hydro-mécaniques (retrait, fluage endogène, pertes de masse), le tout à 38°C, en condition de séchage (30% HR) analogue à la condition de conservation des poutres, ou en condition endogène également à 38°C (protection par feuilles d’aluminium adhésives).

2.2.3.1 Composition du béton

Masse (Kg/m3) Ciment CPA CEMI 52.5 Crechy 410

Eau 205 Sable 0-5 735

Granulats 5-12.5 388 Granulats 12.5-20 626 Potasse (K-OH) 2.8

Tableau 2-1 : Composition du béton des poutres LCPC

2.2.3.2 Caractéristiques physiques Porosité poutre P3 : 16.4% (moyenne sur 10 cm supérieurs), 13.9% (moyenne sur 10 cm inférieurs). Isothermes et perméabilité non mesurée mais pertes de masse des éprouvettes en séchage à 38°C et 30%HR fournies pour l’étalonnage du modèle (cf .Figure 2-4).

2.2.3.3 Caractéristiques mécaniques instantanées du béton Les caractéristiques instantanées sont données pour les éprouvettes conservées en condition endogène et sous eau, le tout à 38°C. On notera l’é volution significative de la résistance en compression et traction des éprouvettes conservées sous eau.

Échéances 28 jours 90 jours 180 jours 1 an 2 ans 2 ans (en eau)

fc (en MPa) 35,5 40,6 (98j) 40,4 (183j) 41,8 43,0 61,9

E (en MPa) 38700 38400 37800 (183j) 40700 38700 42650

13

fth (en MPa) 4,1 4,3 3,2 (183j) 3,8 3,9 4,7

ftv (en MPa) 3,4 3,8 3,2 (183j) 3,8 3,6 4,8

Tableau 2-2 : Cractéristiques mécaniques du béton des poutres LCPC

2.2.3.4 Caractéristiques différées

2.2.3.4.1 Déformations libres sous différents environnements hydriques Les masse des éprouvettes cylindriques sont repportées ci-dessous, les déformations libres associées sont au dessous.

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temps (jour)

Var

iatio

n de

mas

se (

%)

Figure 2-4 : Variation de masse des éprouvettes 16*32

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0 100 200 300 400 500 600 700

Temps (jour)

Déf

orm

atio

n (%

)

En eau Sous alu A 30 % de HR

Figure 2-5 : Evolution des déformations d'éprouvettes 16*32 sous différents environnements hydriques, à 38°C

2.2.3.4.2 Déformations sous charges

14

Déformations des éprouvettes sous charges

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0 100 200 300 400 500

Temps (jour)

Déf

orm

atio

n (%

)

Libre_Mes_Vert Libre_Mes_Trans

10 MPa_Mes_Vert 10 MPa_Mes_Trans

20 MPa_Mes_Vert 20 MPa_Mes_Trans

Figure 2-6 : Déformation longitudinales et transversales sous charge (conservation sous alu)

2.3 Résultats disponibles

2.3.1 Suivi hydrique des poutres - suivis de la masse totale des poutres

Evolution de la masse des poutres pendant la phase de séchage

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 5 10 15 20 25 30

t1/2 (t en jour)Var

iatio

n de

mas

se (

g) P3

P6

Figure 2-7: Suivi de masse des poutres P3 et P6 LCPC

- profils hydriques sur la hauteur des poutres Variations de masse dans une section moyenne de la poutre P3

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

-7,0 -6,0 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0

Variation de masse (%)

Pro

fond

eur

(m)

à 36 jours

à 73 jours

à 163 jours

à 267 jours

à 349 jours

à 424 jours

à 464 jours

à 698 jours

Figure 2-8 : Gama densimétrie poutre P3

15

Variations de masse dans une section moyenne de la poutre P6

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

-6,5 -5,5 -4,5 -3,5 -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5

Variation de masse (%)

Pro

fond

eur

(m)

à 37 jours

à 56 jours

à 148 jours

à 288 jours

à 349 jours

à 422 jours

à 500 jours

à 692 jours

Figure 2-9 : Gammadensimétrie de la poutre P6

Les humidités relatives sont également disponibles dans les fichiers joints.

2.3.2 Suivi structurel Elongations et flèches

16

Flèches de la poutre P3

-1,00

-0,90

-0,80

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0 100 200 300 400 500 600 700

Temps (jour)

Flè

che

(mm

)

Abscisses 0,40 m Abscisses 0,95 m Abscisses 1,50 m Abscisses 2,05 m Abscisses 2,60 m

Déformations longitudinales moyennes de la poutre P3

-0,05

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02

0 100 200 300 400 500 600 700

Temps (jour)

Déf

orm

atio

n (%

)

0,47 0,37 0,27 0,23 0,17 0,08 0,03

Profondeur (m) :

Flèches de la poutre P6

-1,20

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0 100 200 300 400 500 600 700

Temps (jour)

Flè

che

(mm

)

Abscisses 0,4 m

Abscisses 0,95 m

Abscisses 1,5 m

Abscisses 2,05 m

Abscisses 2,6 m

17

Déformations longitudinales moyennes de la poutre P6

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

0,00

0,01

0,02

0 100 200 300 400 500 600 700Temps (jour)

Déf

orm

atio

n (%

)

0,47

0,37

0,27

0,23

0,17

0,08

0,03

Profondeur (m) :

Figure 2-10 : Flèches et déformations longitudinale s (courbes repérées par la position des

capteurs mesurée par rapport à la fibre supérieure)

2.3.3 Comportement à rupture après les cycles hydri ques - portée entre axe des poutres 2.75m - distance entre points de chargement 0.4m (flexion 4 points centrée)

Figure 2-11 : Schéma mécanique pour la rupture des poutres

Courbe Flèche - Effort de la poutre P3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300 400 500 600

Flèche (en µm / à la dalle)

Effo

rt (

kN)

Courbe Effort / Flèche de la poutre P6

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50 60

Flèche (mm)

Effo

rt (

kN)

Figure 2-12 : Comportement à rupture des poutres P3 et P6

2.3.4 Données disponibles supplémentaires - Variations de l’humidité relative interne à 80 mm de la face supérieure des poutres

18

- Déformations dans les trois directions (longitudinales, transversales et verticales) à plusieurs hauteurs

2.4 Travail demandé

2.4.1 Description du modèle utilisé et calage des paramètres - Equations constitutives fondamentales (THM) - Lois d’évolution des paramètres matériaux (incluant la méthode de calage sur les éprouvettes

cylindriques) - Maillage des poutres - Conditions aux limites (convection, HR ou Pw imposée…)

2.4.2 Simulation des deux poutres - En phase Hydro-mécanique

• Masse en fonction du temps (Figure 2-7) • Flèche, élongation, en fonction du temps (Figure 2-10) • Teneur en eau sur une section droite en fonction du temps (Figure 2-8,Figure 2-9) • Champs de contraintes et déformation dans le béton • Contrainte dans les aciers inférieurs et supérieurs pour P6 (à mi portée, en fonction

du temps) • Fissuration s’il y a lieu

- En phase de rupture sous flexion mécanique (optionnel) • Courbe force-flèche • Informations relatives à la fissuration

2.5 Références • Multon S., 2003, “Evaluation expérimentale et théorique des effets mécaniques de l'alcali-

réaction sur des structures modèles”, Thèse de doctorat de l'Université de Marne la Vallée, mémoire paru aux presses du LCPC en 2004, Collection Etudes et Recherches des Laboratoires des Ponts et Chaussées, Série “Ouvrages d’Art”, OA 46.

• Multon S., Seignol J-F., Toutlemonde F., 2006, “Concrete beams submitted to various moisture environments”, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 22, n°1, pp. 71-83. (que du NR)

• Multon S., Toutlemonde F., 2004, “Water distribution in concrete beams”, Materials and Structures, Vol. 37, pp. 378-386. (il y a du R et du NR)

19

3 Température : Maquette MAQBETH du CEA

3.1 Contexte Il s’agit du cas test à chargement thermique dominant, il permet de tester l’aptitude des modèles THM à rendre compte des effets mécaniques du couplage thermo-hydrique à température élevée (jusqu’à 200°C) et des forts gradients de température. Le te st conduit à une fissuration importante de l’ouvrage armé.

3.2 Description de l’essai Les informations suivantes sont extraites du rapport technique CEA SCCME 03-652-AG (2003) .

3.2.1 Géométrie Il s’agit d’un cylindre creux en béton armé de 3 mètres de haut, d’un diamètre extérieur de 2,2 mètres, avec des parois de 60 cm d’épaisseur. Cette géométrie permet de :

- disposer d’une épaisseur suffisante pour obtenir un gradient de température élevé, s’affranchir des effets d’échelle et être représentatif d’une structure de génie civil de grande taille,

- disposer de symétries multiples (radiales) pour permettre la mise en place de nombreux capteurs, de taille éventuellement importante,

- obtenir des flux d’humidité et de chaleur unidimensionnels,

- obtenir dans la partie centrale (suivant la hauteur) une zone indépendante des conditions aux extrémités (aussi bien au niveau thermique qu’hydrique et mécanique), permettant ainsi de concentrer l’instrumentation dans une zone de comportement quasi-homogène.

Figure 3-1 : Vue générale de la maquette MAQBETH en début d’essai (gauche) et mandrin chauffant

(droite)

Le critère de dimensionnement du ferraillage a été la limitation des contraintes dans les aciers à des valeurs maximales de l’ordre de 300 MPa (ouvertures de fissures inférieures à 0,3 mm), avec une contrainte sur le béton en paroi chaude n’excédant pas 30 MPa, permettant de s’affranchir de ferraillage dans la zone centrale de mesure. Le ferraillage correspondant à ces critères est très important, puisqu’il représente près de 10% de la masse de la structure (2,2 tonnes). Il est constitué d’une cage d’armatures d’acier à haute adhérence (type CRELOI 500S), de diamètre 25 mm, illustrée ci-dessous.

20

Figure 3-2 : Ferraillage cylindrique et coffrage de la maquette

3.2.2 Condition initiales et conditions aux limites Le cylindre a été simplement posé sur le sol, isolé thermiquement par des planches de bois de 60 mm d’épaisseur et une couche de laine de roche de 20 cm d’épaisseur en partie supérieure. La géométrie cylindrique a également permis la mise en place d’un système de chauffage relativement simple, constitué par l’empilement de trois mandrins chauffants creux d’environ 10 kW de puissance chacun, d’un diamètre extérieur légèrement inférieur (0,98 m) à celui de l’intérieur de la maquette (1 m). Un espace annulaire entre les mandrins et le béton a ainsi été conservé afin de permettre la manutention des éléments et ne pas gêner l’instrumentation en face chaude. Le mandrin chauffant est isolé thermiquement du sol par une couche de 30 mm d’isolant réfractaire. Une représentation schématique de la maquette et des conditions aux limites est donnée ci-dessous. Un contrôle a été réalisé au moyen de capteurs de températures disposés sur la surface intérieure de la maquette de façon à imposer une température homogène sur la face intérieure de la structure.

21

Isolation thermique

0.6 3.0

1.0

2.2

Convectionnaturelle

Face externe "froide"

Face interne "chaude"

Isolation Thermique

Mandrin

Figure 3-3 : Représentation schématique de la maquette et des conditions aux limites

Le cycle thermique imposé à la paroi interne de la maquette peut être schématisé en quatre phases : une première montée en température de 20 à 150°C (d urée 22 heures), une décroissance non contrôlée de la température de 150 à 75°C (durée 10 heures), une phase de montée en température de 75 à 200°C (durée 21 heures), un palier à 200°C (durée 2 mois environ).

3.2.3 Matériau Le béton utilisé pour la réalisation de la maquette est un béton à base de ciment portland, de type «standard » (Tableau 3-1). Il contient un mélange de granulats siliceux et calcaires qui n’ont pas exactement le même comportement en température, les premiers étant plus expansifs que les seconds. Ce béton possède de bonnes caractéristiques mécaniques (résistance en compression à 28 jours supérieure à 60 MPa) et des propriétés de transfert réduites telles qu’il peut être classé dans la famille des bétons à hautes performances (BHP) (Tableau 3-2).

Gravillons silico-calcaires de Seine 5-20 mm 715 kg.m-3 Gravillons silico-calcaires de Seine 5-14 mm 402 kg.m-3

Sable siliceux 0-5 mm 760 kg.m-3 Eau 154 kg.m-3

Ciment CEM I 52,5 Lafarge 354 kg.m-3 Plastifiant Optima 100 5,31 kg.m-3

Tableau 3-1 : Composition du béton de MAQBETH

Porosité mesurée à l’eau 10 % Conductivité thermique 2,2 W/m/°K

Résistance à la compression à 90 jours 66 MPa Résistance à la traction à 90 jours 4,6 MPa

Module d’élasticité 43 GPa Perméabilité intrinsèque au gaz 10-17 m²

Tableau 3-2 : Principales caractéristiques du béton de MAQBETH à 20°C Ce béton est semblable au BHP à base de CEM I choisi par l’ANDRA pour ces études dans le cadre des GL bétons. En particulier les isothermes de désorptions et les caractéristiques chimiques du liant ANDRA pourront être utilisées pour MAQBETH, cet istherme est donné sur la figure suivantes.

22

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Relative Humidity

Sat

urat

ion

Deg

ree

Experimental Isotherm

Theoritical approximation

Figure 4 : Isotherme de desorption à 20°C d'un BHP similaire à celui de Maqbeth

(%) C3S C2S C3A C4AF

Cem I 52.5 PM-ES 57.0 16.6 1.5 14.0Val d'Azergues, LafargeCem V/A 42.5R PM-ES 59.8 15.8 7.2 10.7

Tableau 3-3: Composition chimique du ciment ANDRA C EMI

3.3 Résultats disponibles

3.3.1 Comportement général de la maquette Un réseau de fissures est apparu en face externe au cours de la première phase de chauffage, pour une température de paroi d’environ 80°C (t = 17 h). La fissuration s’est développée de manière relativement uniforme, formant un réseau au droit du ferraillage (Figure 3-5). La contrainte de traction en paroi froide (25°C) lors de l’apparition des fissures, estimée d’après les mesures des jauges, était de l’ordre du MPa. La fissuration pour ce faible niveau de contrainte s’explique par les discontinuités géométriques au sein du béton et en particulier, la présence d’armatures de diamètre important (25 mm) près de la paroi externe.

23

Figure 3-5 : Fissuration et écoulement d’eau liquid e sur les parois de Maqbeth

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

3000 100 200 300 400 500 600

Epaisseur (mm)

Déf

orm

atio

n to

tale

- d

ilata

tion

ther

miq

ue (

µm/m

)

11,2 H16,8 H30,6 H61,4 H

Figure 3-6 : Profils de déformations verticales dan s l’épaisseur de la maquette à différents

instants La contrainte de compression verticale en face chaude correspondant à cet instant, a été évaluée à environ 30 MPa d’après les mesures des jauges. Les profils de déformations obtenus durant les phases de montée en température et durant le palier à 200°C, montrent que la zone fissurée correspondant aux déformations positives est relativement stable au cours du temps et concerne une grande partie de l’épaisseur de la maquette (environ 50 cm), ainsi que le montre la Figure 3-6. Dès que la température en paroi interne a atteint 100°C, c’est-à-dire pendant la première phase de montée en température, une quantité importante de vapeur s’est dégagée du centre de la maquette. Ce dégagement s’est poursuivi sans interruption pendant environ 72 heures, jusqu’à l’atteinte du palier à 200°C. En pa rallèle, de l’eau sous forme liquide en provenance des fissures s’est écoulée le long de la paroi externe, avec par endroit précipitation de calcite. L’ouverture de ces fissures atteint par endroit à mi-hauteur près de 0,2 mm d’ouverture (Figure 3-7).

24

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Temps (Heures)

Ouverture de fissure (µm)

Figure 3-7 :Evolution de l’ouverture d’une fissure verticale à mi-hauteur de MAQBETH au cours du temps Le niveau de déformation verticale (800 µm/m) à mi-hauteur de la maquette est relativement constant au cours du temps (Figure 3-8), la décroissance observée est causée par la diminution du gradient thermique en début de palier et ensuite par la progression des fissures du haut vers le centre de la maquette.

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0

T e m p s ( H e u r e s )

Dé

for

ma

tio

ns

(µ

m/m

)

Figure 3-8 :Evolution de la déformation verticale a u centre de MAQBETH en fonction du temps

Les contraintes sont relaxées par la fissuration, on mesure en particulier la diminution des contraintes ortho-radiales en face intérieure de Maqbeth en fonction de la hauteur des jauges. En partie haute de la maquette, les contraintes de compression diminuent très fortement, ce qui confirme la progression de la fissuration du haut de la maquette vers le bas et de l’extérieur vers l’intérieur.

3.3.2 Profils de température Les mesures de température, réalisées à l’aide de thermocouples positionnés sur toute la hauteur de la maquette, ont permis de vérifier, durant l’essai, l’absence de gradient

25

thermique important entre les parties inférieure, supérieure et sa partie médiane. Du fait de la faible cinétique de montée en température (0,1°C /min), le gradient thermique, représenté dans la Figure 3-9, s’est rapidement stabilisé (après seulement quelques heures de palier à 200°C) à une valeur de 140°C.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 100 200 300 400 500 600E pa isseur (m m )

Tem

péra

ture

(°C

)13.9 H

19.5 H

27.8 H

55.6 H

138.9 H

Figure 3-9 :Profils de température dans l’épaisseur de la maquette à différents instants

3.3.3 Profils d’humidité relative

0

25

50

75

100

0 100 200 300 400 500 600

Epaisseur (mm)

Hum

idité

rel

ativ

e (%

)

58 H61 H67 H77 H

Figure 3-10 : Profils d’humidité relative dans l’ép aisseur de la maquette à différents instants durant le palier à 200°C

L’humidité relative initiale mesurée par les capteurs était d’environ 97%, relativement uniforme sur toute l’épaisseur. Lors des phases de montées en température (20-150°C et 75-200°C), l’humidité relative a augmenté progressi vement jusqu’à 100%, indiquant la présence de mouvements d’eau sous forme liquide dans la maquette, ainsi que l’augmentation du volume occupé par l’eau dans le milieu poreux par dilatation thermique. Au cours de la phase de palier à 200°C, les mesures données dans la Figure 3-10, montrent par contre la progression d'un front de désaturation depuis la face chaude vers la paroi externe, avec des profils assez marqués. Un léger début de resaturation est également observé dans la zone proche de la paroi externe où débouche l’eau liquide transportée par

26

les fissures, directement ou après condensation en passant de la zone chaude vers la zone froide.

3.3.4 Profils de pressions interstitielles Au cours de la montée en température, on observe un pic de pression en partie chaude dans le béton et une augmentation progressive des pressions de pores dans l’ensemble de la maquette (Figure 3-11). Ce profil particulier peut s’expliquer par la présence de fissures quasi-traversantes apparues assez tôt dans l’essai. Les fissures jouent le rôle de transmetteur de pression.

0

2 .5

5

7 .5

1 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0

E p a is s e u r (m m )

Pre

ss

ion

(b

ar)

4 1 ,7 H4 8 ,7 H5 5 ,7 H6 1 ,3 H

Figure 3-11 :Profils de pressions interstitielles d ans l’épaisseur de la maquette à différents instants lors de la deuxième phase de montée en tem pérature

3.4 Travail demandé

3.4.1 Description du modèle et calage des paramètres - Equations constitutives fondamentales (THM) - Lois d’évolution des paramètres matériaux, visualisation des calages - Maillage - Conditions aux limites (convection, T imposée…)

3.4.2 Simulation numérique de l’histoire THM de la maquette

- Profils de température à différentes échéances (Figure 3-9) - Profils de teneurs en eau, humidité relative (Figure 3-10 )et pression interstitielles (Figure

3-11 ) - Profils de déformations mécaniques en fonction du temps (Figure 3-6 et Figure 3-8) - Contrainte dans les aciers horizontaux et verticaux à mi hauteur en fonction du temps - Informations relatives à la la fissuration (carte de fissuration et ouverture cf.Figure 3-7 ).

27

3.5 Références CEA SCCME 03-652-AG (2003) « Bilan synthétique des actions de R&D sur le comportement thermo-hydro-mécanique du béton réalisées au LECBA sur la période 1999-2003 », par G. Ranc, C. Gallé, J. Sercombe, M. Pin, S. Rodrigues and S. Durand.