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Séchage d’une dalle en bétonEtude expérimentale des gradients induits
Abdelhafid Khelidj* — Guy Bastian* — Véronique BaroghelBouny** — Jean Godin***
*Laboratoire de Génie Civil de Nantes Saint-Nazaire,
IUT de Saint Nazaire. Département Génie Civil BP 420 Heinlex, F-44600 SaintNazaire.abdelhafid [email protected]**
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, 58, Boulevard Lefèbvre, F-75732Paris Cedex 15***
Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées, CETE de l’Ouest, 23 avenue del’Amiral Chauvin BP 69, F-49136 Les Ponts de Cé Cedex
RÉSUMÉ. Ce travail a été réalisé dans le cadre du Thème de Recherche du LCPC"Transferts dans les Bétons et Durabilité des Ouvrages OA9" sur la base d'uneexpérimentation de grande ampleur, sur une dalle et des éprouvettes au cours de leurséchage. Pour cela, nous avons mis en œuvre un ensemble très complet de méthodesd'investigation. Outre les déformations, un grand nombre de paramètres (microstructuraux,thermiques, hydriques, …) ont été mesurés, et leur évolution a été suivie au cours du temps,dès le plus jeune âge et pendant plusieurs mois. Notamment, d'importants gradients de cespropriétés ont pu être mis en évidence et quantifiés entre le cœur de la structure et la surfaceexposée au séchage.
ABSTRACT. This work has been carried out as part of the LCPC research projectc OA9« Transfers in concrete and durability of structures » on the basis of a very largeexperimentation achieved on a concrete slab and samples during their drying. For thispurpose, we have implemented a very complete set of investigation methods. In addition todeformations, many parameters (microstructural, thermal, hydric ones …) have beenmeasured and their evolution has been followed up since the early age and for severalmonths. Important gradients of the properties have been made obvious and measured fromthe middle to the slab drying surface.MOTS-CLÉS : béton, séchage, dalle, retrait, teneur en eau, expérimental, interaction,conductivité thermique, durabilité, hydratation, gradient.
KEY WORDS : concrete, drying, slab, shrinkage, water content, experimental, interaction,thermal conductivity, durability, hydration, gradient.
1. Introduction
Sur le thème « transferts dans les bétons et durabilité des ouvrages », des travauxde recherche ont été menés en collaboration étroite au LCPC (Paris), au LRPC
2 Revue. Volume
(Angers) et au LGCNSN (IUT de Saint Nazaire). L’objectif général de ces travauxétait d’étudier l’évolution d’une dalle en béton dès après coulage, tant au niveaumacroscopique que microscopique, évolution rendue dissymétrique par le séchage dela dalle par sa face supérieure. On s’est donc proposé de caractériser un maximum degradients apparaissant dans cette dalle et résultant de l’interaction entre l’hydratationdu ciment et le séchage en face supérieure déjà évoqué.
On pourra classer en trois catégories les investigations menées, et les trèsnombreux résultats obtenus :
- expérimentations assez peu fiables pour diverses raisons pratiques ; c’est le casnotamment de mesures thermogravimétriques beaucoup plus significatives pour unepâte de ciment que pour un béton ;
- expérimentations où les résultats relatifs à une même grandeur - diffusivitéhydrique en l’occurrence - sont cohérents à l’intérieur d’une méthode de mesuredonnée mais divergents d’une méthode à l’autre ; il y a là semble-t-il, un champd’investigation extrêmement intéressant quant à la compréhension des phénomènesphysiques au niveau microscopique régissant les transferts hydriques ;
- enfin, un corpus de résultats expérimentaux cohérents, convergents, précis,composant un ensemble de données fiables et exploitables dans une modélisationaffinée du comportement thermo-hydro-mécanique d’une dalle en béton au séchage.
C’est ce dernier ensemble de résultats qui est présenté ici. La démarche généralemise en œuvre a consisté à pratiquer, soit sur une dalle continue, soit sur uneseconde dalle compartimentée et disposée à côté de la première, diverses mesures aucours du temps et toujours aux mêmes profondeurs de manière à mettre en évidencedes gradients concomitants.
2. Matériau et corps d’épreuve
2.1. Formulation du béton
Le matériau utilisé dans cette étude est un béton ordinaire référencé « BOSN »proche du béton étudié par [BAR 94]. Sa composition par m3 de béton vibré, ainsique ses différentes caractéristiques mesurées lors de l’étude sont rassemblées dans letableau 1.
2.2. Eprouvettes et conditions aux limites
Pour réaliser l’objectif de l’étude, nous avons confectionné deux dalles de1000x1000x160 mm. Une première dalle continue (Photo 1) servant aux mesuresdes paramètres à l’aide de méthodes non destructives (température, humidité relativeinterne du béton, teneur en eau par différentes méthodes ainsi que les paramètres detransfert thermique). Une deuxième dalle compartimentée a été réalisée, lescompartiments conçus pour cette seconde dalle servent au démoulage rapide des
Séchage d’une dalle en béton 3
éprouvettes sans sciage ou carottage et donc sans perturbation de l’état hydrique dumatériau. D’autres éprouvettes on été coulées en parallèle à ces deux dalles :éprouvettes 100x100x100 mm pour l’étalonnage de sondes capacitives, etéprouvettes 70x70x280 mm pour la mesure du retrait dans trois configurations deséchage différentes.
Les conditions aux limites imposées sur les dalles durant toute la durée del’expérience ont consisté à protéger les dalles contre la dessiccation sur cinq faces.Cette protection est assurée par le coffrage en PVC et en bois bakélisé. Aucuneprotection thermique n’a été installée. Le séchage s’effectue par la face supérieuredans une ambiance contrôlée en température et en humidité relative (T = 20 ± 1°C etHR = 50 ± 5 %).
Constituant Quantité (en kg/m3)
Gravillon calcaire du Boulonnais 12,5/20 776
Gravillon calcaire du Boulonnais 4/12,5 414
Sable du Boulonnais 0/5 360
Sable de Seine 0/4 354
Ciment CPA-CEM I "HTS" 353
Eau 204
E/C 0,578
G/S 1,667
Porosité moy. (accessible à l'eau) 14,3 %
Résistance caractéristique à lacompression à 28 jours
33 MPa
Tableau 1. Composition du béton étudié
3. Mesures effectuées et résultats
3.1. Porosimétrie au mercure
Des mesures par intrusion de mercure ont été effectuées pour caractériser lastructure poreuse du matériau (en particulier, détermination de la porosité totale etde la distribution des tailles de pores). L'eau liquide, de même que les gaz et lesvapeurs contenus dans les pores du matériau doivent être enlevés par un séchagepréalable des échantillons avant la mesure proprement dite, afin que l'ensemble duréseau poreux soit accessible au mercure. Le prétraitement des échantillons (demasse d’environ 20 g) a été réalisé ici à l'âge de 3 mois par "cryosublimation" (piègeà froid à -55°C) sous vide et au-dessus de gel de silice pendant 48 heures, après
4 Revue. Volume
immersion dans de l'azote liquide. Les réactions d'hydratation du ciment sont enoutre en principe inhibées par ce processus.
La mesure a été réalisée avec un porosimètre à mercure équipé de deux postes(Pascal 140 et Porosimeter 2000 WS) où la pression d'injection maximale vaut 200MPa. Seuls les pores dont le rayon rp vérifie 37Å<rp<60µm, sont accessibles avec
cet appareil. Les résultats sont présentés sur la figure 1.
Photo 1. Instrumentation de la dalle continue
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
10 100 1000 10000 100000 1000000
Rayon poreux (Å)
V/
log
(r)
(mm
3.g
-1.Å
-1)
Ref 2
P1b
P1h
120 Å
3500 Å
Figure 1. Distributions des tailles de pores obtenues par intrusion de mercure surles échantillons Ref2 (éprouvette de référence), P1b (bas du prisme : prélèvement à
Séchage d’une dalle en béton 5
80 mm de la face séchante) et P1h (haut du prisme : prélèvement à 10 mm de la faceséchante).
3.2. Températures
La montée en température durant l’hydratation du ciment est due à la chaleurlatente d’hydratation. Cependant en fonction des conditions aux limites et du volumede béton employé, il se crée un gradient de température entre la surface de l’ouvrageet le cœur . Ce gradient a été mis en évidence dans cette étude sur la dalle continuepar mesure de la température dès coulage avec des thermocouples de type Kimplantés dans la dalle. La position des capteurs a été la suivante : un situé à 50 mmau dessus de la face séchante pour la mesure la température de la salle, les autresétant situés en surface, puis à 10, 20, 40 et 80 mm de cette même face séchante. Lesrésultats obtenus sont présentés sur la figure 2.
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Âge (h)
Te
mp
éra
ture
(°C
)
(x = 0 mm)(x =10 mm)(x = 20 mm)(x = 40 mm)(x = 80 mm)T°C (Salle)
x = 80 mm
x = 0 mm
Température de la salle
Figure 2. Evolution de la température de la dalle
3.3. Teneur en eau (différentes méthodes)
La teneur en eau est un paramètre clé dans le comportement du béton [AÏT 98].Pour des structures maintenues en conditions isothermes, cette teneur en eau varied’une façon générale en fonction de l’intensité de l’hydratation et/ou du séchage. Enfonction des conditions aux limites hydriques imposées à l’ouvrage, des gradients de
6 Revue. Volume
teneur en eau peuvent apparaître entre la périphérie et le cœur. Ces gradients sontsouvent inévitables à cause de la lenteur des phénomènes de transfert d’humidité.Pour les mettre en évidence, nous avons utilisé ici trois méthodes d’investigation.Deux méthodes (mesure de l’humidité relative et sondes capacitives) ont étéappliquées à la dalle continue et une méthode (mesure par rayons gamma) a étéappliquée à une éprouvette issue de la dalle compartimentée.
3.3.1. Mesure de l’humidité relative par sondes hygrothermiques
Quatre sondes hygrothermiques de diamètre 5 mm ont été enfoncées 24 heuresaprès le coulage de la dalle dans des cavités situées à 10 mm, 20 mm, 40 mm et 80mm de la face séchante. Ces sondes fournissent la température et l’humidité relativeinterne imposées par le béton. L’acquisition des résultats a été effectuée à l’aided’une centrale en continu durant dix mois. Les résultats sont présentés sur la figure3.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0 50 100 150 200 250 300 350
Âge (J)
ϕ ϕϕϕ (%
)
x=10 mm
x=20 mm
x=80 mm x=40 mm
Figure 3. Evolution de l’humidité relative interne ϕ dans le béton à différentescotes de la face séchante.
3.3.2. Mesure par sondes capacitives
La mesure de la teneur en eau par sondes capacitives est fondée sur celle de lapermittivité diélectrique apparente. Le principe utilisé met en place une technologievoisine de celle du condensateur : deux électrodes métalliques introduites dans lematériau forment les armatures d’une capacité C dont le diélectrique est constituépar le matériau compris entre les deux électrodes. Ces électrodes sont reliées à unoscillateur dont la fréquence nominale est de 35 MHz. Une variation de la teneur en
Séchage d’une dalle en béton 7
eau et donc de la constante diélectrique se traduit par une variation de la fréquencede l’oscillateur.
Un étalonnage (fréquence en fonction de la perte relative de masse d’eau libre)sur un échantillon du même béton a été effectué. La mesure par sondes capacitives aété effectuée, d’une part sur la dalle continue, l’implantation des sondes dans ce casprécis a été effectuée 24 h après le coulage du béton à des cotes identiques à cellesdes sondes hygrothermiques (10, 20, 40 et 80 mm de la face séchante), et d’autrepart sur deux éprouvettes, l’une étant entièrement protégée contre la dessiccation(conditions endogènes), la deuxième étant maintenue dans les mêmes conditions quela dalle (séchage par une face en ambiance contrôlée). Les résultats obtenus sontreprésentés sur les figures 4, 5 et 6.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
0 50 100 150 200 250 300 350
AGE (jours)
Per
te r
elat
ive
de
mas
se (
%)
x=10 mm
x=20 mm
x=40 mm
x=80 mm
Figure 4. Perte relative de masse d’eau libre (par hydratation et séchage) suivantla profondeur de mesure, obtenue par sonde capacitives sur dalle continue séchantpar une face.
8 Revue. Volume
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0 100 200 300 400
Age (jours)
Per
te r
elat
ive
de
mas
se (
%)
Sonde capa
Pesée
Figure 5. Perte relative de masse d’eau libre d’une éprouvette soumise à unséchage par une face. Comparaison des mesures par pesée (perte d’eau libre parséchage) et par sonde capacitive (perte d’eau libre par hydratation et séchage).
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Age (jours)
Per
te r
elat
ive
de
mas
se (
%)
Sonde capa
Pesée
Figure 6. Perte relative de masse d’eau libre d’une éprouvette en conditionsendogènes. Mesures par sondes capacitives (eau consommée par hydratation) et parpesée (eau évaporée par séchage).
Séchage d’une dalle en béton 9
3.3.3. Gammamétrie
Le principe de la méthode est fondé sur l’atténuation d’un flux de photonsgamma émis par une source radioactive de Cesium 137 après traversée d’uneépaisseur x de matériau. Les mesures ont été effectuées sur un banc gamma vertical.L’éprouvette étudiée (80x80x160 mm) a été extraite de la dalle compartimentée 24heures après le coulage, et étanchée immédiatement sur cinq faces et entreposée dansune salle à HR = 50 ± 5% et T=20 ± 1°C. L’auscultation s’est faite à 10, 20, 40 et80 mm de la face séchante. Le diamètre de collimation du faisceau était de 10 mm.Le calcul de la variation de teneur en eau est basé sur la connaissance de la massevolumique donnée par la formule 1.
ρ = x'..Z
1
µ−
.0N
Nln (1)
avec : No nombre de photons incidents, N nombre de photons recueillis aprèstraversée du matériau , µ’ coefficient d’absorption massique du matériau, pourl’énergie du rayonnement considéré (m2/kg), ρ masse volumique du matériau (kg/m3)et Z un coefficient de correction dû à la géométrie de l’appareil.
La variation de la teneur en eau massique w est donnée par la formule 2 :
( ) ( )[ ]sècheMasse
Volume)t(t)t(wtw 00 ρ−ρ=− (2)
Un calcul d’erreur effectué à partir de l’expression de ρ, et pour lescaractéristiques du matériel utilisé, nous a permis de conclure qu’une variationinférieure à 0,6 % de teneur en eau ne pourrait être décelée [KHE 00]. Les résultatsobtenus sur une période de séchage de 266 jours sont donnés en figure 7.
10 Revue. Volume
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Distance (en mm) à la face d'évaporation
Per
te r
elat
ive
de
mas
se (
en %
)
dt=14 jours
dt=20 jours
dt=32 jours
dt=42 jours
dt=71 jours
dt=88 jours
dt=140 jours
dt=266 jours
Figure 7. Perte relative de masse en fonction de la distance à la face séchante del'éprouvette (Gammamétrie).
3.4. Propriétés thermiques
3.4.1. Méthode de mesure
On s’est proposé de déterminer au cours de l’hydratation et du séchage de ladalle les propriétés thermiques du béton aux profondeurs choisies (10, 20, 40 et 80mm). Les contraintes étaient nombreuses :
— variation des propriétés thermiques avec la profondeur ;— inhomogénéité du béton nécessitant une intégration spatiale des mesures ;— non-perturbation du champ de teneurs en eau ;— non-perturbation de l’hydratation ;— adéquation difficile entre modèle et réalité expérimentale :
– milieu non infini : ce sera le cas pour les mesures en des points proches dela surface (10 mm) ;– perturbations entre capteurs ;– déformation de capteurs (fils tendus prenant une flèche lors du coulage dubéton).
On s’est efforcé de justifier la validité des résultats obtenus, les domaines spatio-temporels où l’adéquation modèle-réalité est possible, les corrections et calageséventuellement pratiqués.
Au plan théorique, les classiques systèmes d’équations décrivant les transfertscouplés de chaleur et d’humidité se réduisent à la seule équation de la chaleur, si onconsidère des phénomènes thermiques rapides lors desquels on peut considérercomme constant le champ de teneur en eau. On écrira :
Séchage d’une dalle en béton 11
( )Tt
Tc0 ∇λ∇=
∂∂ρ (3)
avec ρ0 masse volumique du matériau sec (kg/m3), c chaleur massique dumatériau (J/kg.K) de teneur en eau w, λ conductivité thermique « apparente »(W/m.K) différant d’une conductivité thermique pure par la prise en compte duphénomène de vaporisation-liquéfaction lié à la diffusion de vapeur d’eau.
Dans le cas de perturbations thermiques de faible amplitude, une linéarisation estlicite :
Tt
Tc 2
0 ∇λ=∂∂ρ (4)
La détermination de λ, de ρ0c et de leur rapport c
a0ρλ
= (m2/s) (diffusivité
thermique) s’effectuera en concevant une expérimentation de géométrie simple, deconditions aux limites également simples (un créneau de flux thermique) enrésolvant analytiquement l’équation de la chaleur et en rapprochant températuresexpérimentales et solution théorique. On utilise ici la méthode du fil chaud [BAS 89][BAS 95]. Soit un conducteur électrique infiniment fin, dissipant, à partir de l'instantt = 0, la puissance constante P/L (en W/m) dans un milieu infini, initialementisotherme, et caractérisé par λ et a. La résolution de l'équation de la chaleur nousfournit, en coordonnées cylindriques, l'expression de Τ(r, t) température à la distancer du fil à l'instant t.
L’analyse mathématique met en évidence les points suivants :- la solution T(r,t) sera applicable tant au fil chauffant lui-même qu’à un fil non-
chauffé tendu parallèlement au premier à la distance x de celui ci ;
- pour des temps « suffisants », l’élévation de température du fil chauffant seraproportionnelle à ln(t) ;
- on préfère s’intéresser pour le fil chauffant non pas à la phase de chauffage dedurée tc de celui-ci mais plutôt à la phase de retour à l’équilibre (t > tc).
Isolant la conductivité λ dans le cas du fil chauffé, et ρ0c dans le cas du fil nonchauffé, et notant ∆ des variations linéaires concomitantes, on a :
T
tt
tln
L4
P c
∆−
∆
π=λ pour le fil chauffé
(5)
12 Revue. Volume
I20 T
t
Lre
Pc
∆∆
π=ρ pour le fil non chauffé (6)
(I point d’inflexion du graphe T= f(t)) pour le fil non chauffé.
3.4.2. Montage expérimental
Quatre couples de fils d'acier inoxydable de 0,5 mm de diamètre sont tendusparallèlement à des profondeurs de 10, 20, 40, 80 mm de la surface séchante de ladalle. Le système de tension des fils prend appui sur le bord du coffrage en PVC.L’écartement entre fils d’un couple est de 15 mm. Les fils chauffants sont alimentésen tension secteur par l’intermédiaire d’un stabilisateur de tension et d’unautotransformateur. Un rhéostat est ajusté de manière à ce que sa résistance soitégale à celle des 4 fils chauffants alimentés en série. Un calcul classique montrequ’alors la puissance injectée dans les fils demeure sensiblement constante, même sila résistance de ceux-ci varie avec la température.
On réalise une prise alternée de tensions aux bornes des fils chauffants (C)lorsque ceux-ci ne sont plus chauffés et aux bornes des fils non chauffants (NC) lorsdes phases de chauffage des fils chauffants. Ces tensions sont dues au passage dansles divers fils d’un faible courant constant, non perturbateur au plan thermique. Lestensions mesurées sont reliées aux résistances des fils, elles-mêmes, fonction linéairedes températures de fils (un étalonnage préalable a été effectué).
Des mesures ont été effectuées dès coulage de la dalle et à des échéances définiespar une loi en t2.
3.4.3. Résultats expérimentaux
Les résultats bruts apparaissent entachés d’incertitudes. Nous avons alors étéamenés à effectuer un calage des résultats relatifs aux profondeurs (10, 20, 40 mm)par rapport à ceux relatifs à 80 mm en considérant que les quatre conductivités et lesquatre chaleurs volumiques étaient respectivement égales au début de l’essai, lematériau étant alors homogène. Les résultats obtenus sont regroupés sur les figures 8et 9.
Comme déjà noté en 3.4.1, deux causes au moins peuvent expliquer cesincertitudes :
- différence de tension mécanique d’un fil à l’autre modifiant larésistance électrique [SAL 99] ;
- incertitude sur l’écartement exact entre deux fils d’une paire : cetécartement pourrait être perturbé lors du coulage (taille des gravierstrès importante par rapport à l’écartement des fils).
Un calcul d’erreur élémentaire montre une très grande sensibilité des résultats àcette dernière perturbation.
Séchage d’une dalle en béton 13
1,0E+06
1,2E+06
1,4E+06
1,6E+06
1,8E+06
2,0E+06
2,2E+06
2,4E+06
0,1 1 10 100 1000
Âge (jours)
Ch
aleu
r vo
lum
iqu
e co
rrig
ée
(J/m
3.K
)
x = 10 mmx = 20 mmx = 40 mmx = 80 mm
Figure 8. Evolution des chaleurs volumiques corrigées.
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
1 10 100 1000
Âge (jours)
λ λ λ λ co
rrig
ée (w
/m.K
)
x = 10 mm
x = 20 mm
x = 40 mm
x = 80 mm
Figure 9. Evolution des conductivités thermiques corrigées.
14 Revue. Volume
3.5. Retraits des éprouvettes et déflexion de la dalle
Les déformations de retrait ont été mesurées sur des éprouvettes 70x70x280 mmen trois configurations (séchage endogène (Configuration A), séchage par une face(Configuration B) et séchage par toutes les faces (Configuration C)). Par ailleurs,nous avons mesuré les déflexions sur la dalle en cours du séchage. Desrapprochements entre le retrait observé sur les éprouvettes et les déflexions de ladalle ont été établis.
Les éprouvettes ont été décoffrées 24 h après le coulage et, sitôt après, elles ontété pesées et protégées contre la dessiccation suivant les trois configurations A, B etC. La protection est effectuée par l'application successive d'une couche de résineépoxydique à 2 composants sans solvant, d'une feuille d'aluminium (de cuisine) etd'une feuille d'aluminium autocollante. Une mesure de longueur au rétractomètre (aumicron), et une mesure de masse avec une balance au 1/100 de gramme ont étéeffectuées. La mesure du retrait par cette technique en configuration C est sujette àdiscussions [WIT 97], [ACK 87]. En effet, le séchage s'effectue dans ce cas partoutes les faces de l'éprouvette, ce qui induit des déformations différentielles. De cefait, les surfaces sur lesquelles sont collés les plots ne demeurent pas planes. Nous neprésentons ici que les résultats concernant la configuration A (endogène) qui peuventexpliquer les phénomènes de déflexion observés sur la dalle (figure 10).
Au niveau de la dalle, 24 h après le coulage, 4 capteurs de déplacement LVDT(course 0,5 mm, précision = 1 µm) ont été installés pour mesurer la déflexion de ladalle. Le contact entre la surface exposée au séchage de la dalle et les capteurs a étéassuré par le collage de petites pastilles rectangulaires en Plexiglas à l’aided’Araldite. Les résultats sont représentés sur la figure 11.
Séchage d’une dalle en béton 15
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Temps (jours)
retr
ait
en µ µµµ
m/m
Figure 10. Evolution du retrait endogène (éprouvette 70x70x280 mm).
-0,35
-0,30
-0,25
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0 50 100 150 200 250 300 350
Âge (jours)
Dép
lace
men
t (m
m)
x =20 mm
x = 340 mm
x = 160 mm
x = 500 mm
Figure 11. Variation des déplacements de la dalle au cours du séchage
16 Revue. Volume
L = 1 m
H=0,16 m
Figure 12. Schémas de la déformée de la dalle
4. Analyse des résultats obtenus et mise en évidence des gradients induits
4.1. Porosité
La figure 1 met en évidence une distribution de tailles de pores bimodale :- un premier mode poreux apparaît dans le domaine des grands rayons de pores
capillaires, centré autour de 3500 Å. A l'échéance considérée, ce mode estcaractéristique des pâtes et bétons de rapport E/C supérieur ou égal à 0,55 (cettevaleur dépend en fait du ciment utilisé [BAR 94]),
- un second mode poreux apparaît dans le domaine des petits rayons de porescapillaires, centré autour de 120 Å. Ce pic correspond aux pores situés entre lesamas d'hydrates et il est toujours localisé aux environs de 100-200 Å pour les pâteset bétons de ciment CPA-CEM I et sans ultrafines, quel que soit le rapport E/C[BAR 94].
On peut remarquer sur la figure 1 que la structure poreuse de p1b est bien prochede celle de Ref2 (la structure poreuse du matériau au fond de la dalle estpratiquement identique à celle du matériau n’ayant pas subi de séchage), ceci est duau fait que le fond de la dalle à 80 mm de la face séchante est très peu et tardivementtouché par le séchage. La figure 1 illustre également une différence dans ladistribution des tailles de pores entre les deux profondeurs considérées P1h et P1b ;pour le mode poreux situé à 100 – 200 Å, on enregistre une amplitude plus faible etun rayon plus grand pour P1h. Ceci témoigne d'une structuration et donc d'unehydratation gênée par le séchage dans la zone proche de la surface. Toutefois, ladifférence aurait sans doute été plus marquée si le prélèvement avait pu être effectuéau voisinage immédiat de la surface.
Séchage d’une dalle en béton 17
4.2. Température
L’analyse des courbes donnant la température montre une augmentation rapidede celle-ci qui atteint au bout de 10 heures 27°C au cœur. La température initiale dumélange au début était de 17°C. Un gradient de température est nettement mis enévidence en fonction de la profondeur. Ce gradient n’est pas très prononcé dans cetteétude à cause de la faible épaisseur de la structure (dalle) : la chaleur se dissiperapidement. L’équilibre de la température de la dalle avec celle de la salle n’estconstante qu’à partir de 90 heures après coulage. On pense que les réactionsd’hydratation se poursuivent, mais de façon ralentie. Il est évident que dans le cas destructures massives, le gradient serait plus important entre le cœur et la périphérie, lecœur se comporterait alors comme un matériau en conditions quasi-adiabatiques,alors que la surface extérieure elle, serait en conditions quasi-isothermes. Le gradientrésultant de température peut nuire à la durabilité de l’ouvrage et ceci à cause desdilatations ou retraits thermiques différentiels ainsi engendrés.
4.3. Humidité relative, teneur en eau et conséquences sur le retrait
Nous avons exposé trois méthodes de mesure de la teneur en eau ou desvariations de teneur en eau. Les trois méthodes mettent en évidence un gradient entrela face séchante et le cœur de la dalle. Ce gradient est à l’origine de tous les autresgradients décrits dans ce travail. La teneur en eau est un paramètre clé dans ladétermination des autres paramètres considérés comme indicateurs de durabilité.
Sur la figure 2, on peut remarquer que l’humidité relative près de la surface chuterapidement, mais n’atteint l’équilibre avec le milieu ambiant qu’au bout de 250jours. Les enregistrements commencent alors à être perturbés par les variationsaccidentelles de la température de la salle, alors qu’au cœur et à cette même datel’humidité relative n’est guère inférieure à 95 %. Ceci montre la lenteur duphénomène de transfert d’humidité. Ce phénomène est d’autant plus long qu’ildépend fortement du coefficient de diffusivité hydrique qui est un paramètre nonlinéaire en fonction de la teneur en eau et qui dépend aussi de la formation dusquelette par le biais de l’hydratation [KHE 00]. Ce gradient d’humidité relativeinterne peut expliquer le comportement à la déflexion de la dalle. En effet, on aobservé (figure 11) un gonflement très prononcé de la dalle près du coffrage. Cegonflement est pratiquement inexistant au centre de la dalle. Il s’agit sans doute d’uneffet de structure. Le séchage se développe uniquement par la face supérieure d’unefaçon non symétrique, il se crée alors un retrait différentiel. Si l’on considère que leretrait de dessiccation est proportionnel à l’humidité relative dans une plage allantde 100 % à 70 % [BAR 94], alors le retrait est plus important près de la surfaceséchante qu’au cœur. Ce retrait différentiel induit à son tour un voilement de la dalle(figure 12). Le gonflement minime observé sur la dalle au tout début du séchage estprobablement dû à un comportement intrinsèque du matériau. En effet, on a observéun gonflement de l’éprouvette en condition endogène (figure 10) ; il pourrait être dûà notre avis à la formation d’étringite primaire et de portlandite [CHA 00].
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La variation de la perte relative de masse obtenue par sondes capacitives faitapparaître elle aussi clairement un gradient de teneur en eau (figure 4). Le passagede la perte de masse à la teneur en eau lors de l’utilisation de ces sondes nécessite unséchage complet de l’éprouvette servant à l’étalonnage, chose qui demande un tempsexcessivement long et qui peut devenir impossible à réaliser quand les dimensionsdes éprouvettes sont trop importantes. Contrairement aux sondes hygrothermiquesqui ne peuvent détecter que des états de teneur en eau inférieurs à la teneur en eaucritique, la méthode des sondes capacitives présente toutefois l’avantage de détectertoute la gamme de teneurs en eau (de l’état sec à l’état saturé). Les cinétiques deséchage – hydratation données par les sondes capacitives (figure 4) montrent que lespertes de masse aux cotes 40 et 80 mm sont pratiquement identiques. Cetteobservation est corroborée par les courbes donnant l’humidité relative (Figure 3). Eneffet, les deux courbes donnant l’humidité relative (40 et 80 mm) restent parallèlesentre elles, ce qui implique donc une perte relative de masse égale entre ces deuxcotes.
Si on considère la figure 6, (les pertes de masse relative données par la méthodedes sondes capacitives et par pesée), il s’avère que les sondes capacitives détectentune variation de teneur en eau libre imputable uniquement à l’hydratation. La teneuren eau libre décroît rapidement durant les 100 premiers jours et se stabilise par lasuite, ce qui implique un ralentissement de la réaction d’hydratation.
Sur la figure 5 (éprouvette séchant par une face) on peut remarquer unedifférence entre la perte de masse enregistrée par les sondes capacitives et par peséedurant 100 jours. Cette différence pourrait provenir de la perte de teneur en eau librepar hydratation non détectée par la méthode de la pesée, et donc ce résultat confortecelui obtenu sur l’éprouvette endogène. Il pourrait être intéressant ultérieurement dechercher si la mesure locale par sonde capacitive peut être reliée au degréd’hydratation du matériau ; dans ce cas, cette méthode deviendrait intéressante pourla mesure de ce dernier paramètre, ne serait ce que du fait de son faible coûtcomparé à celui de l’Analyse Thermogravimétrique par exemple.
Les résultats donnés par l’analyse au banc gamma (figure 7) mettent en évidenceaussi un gradient de perte relative de masse entre le cœur et la surface séchée. Lesvariations de teneur en eau dans ce cas sont représentatives du séchage seul car lamesure ne prend pas en compte les variations de teneur en eau libre dues àl’hydratation. Cette méthode s’apparente donc à la méthode des pesées, mais permeten plus une détermination locale de la teneur en eau. L’intégration sur la totalité duvolume de l’éprouvette des mesures locales réalisées par banc gamma permetd’ailleurs de retrouver les valeurs globales déterminées par pesée [BAR 94]. Lamesure à 40 mm de profondeur est perturbée probablement par la présence d’ungranulat de grande taille.
4.4. Conductivité thermique et chaleur volumique
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Les valeurs des conductivités thermiques et chaleurs volumiques données dansles figures 8 et 9 sont conformes aux valeurs données dans la littérature. Les chaleursvolumiques et les conductivités thermiques locales du béton croissent sur une faiblepériode de temps (2 jours) et par la suite décroissent progressivement. Ces variationssont valables pour les mesures effectuées aux quatre profondeurs. L'augmentation dudébut pourrait être attribuée à l’élévation de la température durant l'hydratation.Cette explication n’est que partiellement suffisante puisque les valeurs de cesgrandeurs continuent de croître alors que la température revient à l’équilibre (voirfigure 2). Une autre explication serait la formation du squelette solide, ou lacoexistence des deux influences (température et formation du squelette).
La variation après deux jours peut être attribuée à la coexistence des deuxphénomènes hydratation et séchage (l’effet de la température devient négligeable). Ala cote 10 mm, près de la face séchante, la chute de la conductivité thermique et de lachaleur volumique est très prononcée ; on peut supposer qu’à cette cote,l’hydratation est ralentie et que c’est uniquement le séchage qui est à l’origine decette décroissance. Par contre, aux autres cotes, la conductivité reste élevée et ceci àcause de la forte teneur en eau. La variation des conductivités thermiques et chaleursvolumiques est donc attribuable au moins à trois paramètres ; la température, ledegré d’hydratation et la teneur en eau du matériau.
Des gradients de conductivité thermique et de chaleur volumique sont clairementobservés. Ces gradients sont très prononcés entre la profondeur x = 10 mm et lesautres profondeurs. En effet le séchage atteint rapidement la profondeur x = 10 mm (figure 3) .
5. Conclusion
Une étude expérimentale visant à mesurer un maximum de gradients dans unestructure (dalle en l’occurrence) au cours du séchage a été réalisée. Les gradientssont pour la plupart considérés comme une conséquence de l’interaction entre lesphénomènes d’hydratation et de séchage. Pour cela, nous avons mis au point unemétrologie complète consistant en la mesure et le traitement des résultats sur deuxcorps d’épreuve (une dalle pleine de 1 x 1 x 0,16m et des éprouvettes issues soitd’une dalle de même béton que la première et compartimentée de façon à extraire lesdifférentes éprouvettes sans altération, soit coulées à part dans des moules). Cettedémarche expérimentale a été concertée et menée en parallèle par trois laboratoires(LCPC Paris, LGCNSN IUTde Saint Nazaire et le LRPC Angers).
Un suivi en continu de certains paramètres a été effectué durant plus de 9 mois.L’exploitation des mesures a montré que des gradients de teneur en eau, detempérature, de conductivité thermique, de chaleur volumique et de porosités’établissaient entre la face séchante et le cœur de la dalle. Ces gradients sontgénérateurs de certains effets souvent néfastes pour les structures en béton armé. Oncitera par exemple la mauvaise hydratation du béton de la face exposée au séchage
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et la déflexion de la dalle générée par le retrait différentiel qui peut conduire à lafissuration de celle-ci ; c’est ainsi que peut être compromise la durabilité d’unouvrage si des précautions spécifiques ne sont pas prises.
Concernant les gradients de conductivité thermique et chaleur massique, ils nesont jamais pris en compte dans les modèles de calcul établis en vue de prévoirl’évolution de la température dans les ouvrages au jeune âge. La non prise en comptede ces gradients dans les structures dites minces ne pose sans doute pas à notre avisde gros problèmes. Ce n’est pas le cas pour des structures massives, où les effetsthermiques conditionnent en partie la durabilité des ouvrages. L’introduction de cesparamètres thermophysiques comme paramètres variant avec le temps dans unmodèle de calcul permettrait d’affiner le calcul des températures et de leurs gradientséventuels.
Cette recherche a apporté des résultats marquants sur la connaissance dumatériau et des processus physico-chimiques relatifs aux interactions hydratation-séchage, ainsi que sur la détermination expérimentale des coefficients de transfertqui conditionnent la durabilité des structures en béton. La confrontation dedifférentes méthodes d'investigation a également permis de recueillir des élémentsnouveaux et utiles pour le développement de techniques expérimentales pertinentesen la matière.
En outre, les résultats acquis devraient pouvoir constituer l’amorce d’une banquede données pour des simulations à partir d’une modélisation affinée.
Remerciements :
Les auteurs tiennent à remercier le LCPC et le Ministère de l’Equipement, desTransports et du Logement pour le financement octroyé pour la réalisation de cetteétude dans le cadre du thème OA9.
6. Bibliographie
[ACK 87] Acker P., Boulay C., Rossi P., “On the importance of initial stresses in concreteand of the resulting mechanical effects”, Cement Conc. Res. 17, 1987.
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[BAS 89] Bastian G. «Détermination dynamique des paramètres des transferts couplés dechaleur et d’humidité au sein d’un mortier en régime hygroscopique », Thèse d’Etat,Nantes, 1989.
[CHA 00] Chaussadent T., Baroghel Bouny V., Rafaï N., Ammouche A. et Hornain M.,« Influence du rapport E/C sur l’hydratation, la microstructure et les déformationsendogènes de pâtes de ciment durcies », Revue française de Génie Civil, dans ce mêmenuméro.
[KHE 98] Khelidj A., Loukili A., Bastian G., « Etude expérimentale du couplage hydro-chimique dans les bétons en cours de maturation : incidence sur les retraits », Matérialsand Structures, Vol. 31, novembre 1998.
[KHE 00] Khelidj A., Baroghel Bouny V., Bastian G., Godin J., Villain G., « Transferts dansles bétons et durabilité des ouvrages, Détermination expérimentale des gradients résultantd’une interaction hydratation-séchage dans une dalle en béton », Rapport de synthèseLGCNSN/ LCPC/ LRPC Angers (Thème de recherche OA9 – Sujet N°1 – Programme1.3), Nov. 2000, 81 p., à paraître dans la collection « Etudes et Recherches des LPC ».
[SAL 99] Salmon – Gandonnière A., “Suivi de l’hydratation d’une pâte de ciment. Méthodeset techniques expérimentales”, DEA Génie Civil, IUT de Saint Nazaire, Juillet 1999.
[WIT 97] Wittmann, F. H., « Le séchage et le retrait de dessiccation du béton », XVeRencontres universitaires de Génie Civil, EC’97 , Strasbourg, 1997.
Annexe : titre en anglais
Drying of a concrete slabExperimental study of induced gradients
