Apports combinés de l'expérimentation et de la modélisation à la compréhension de l'alcali-réaction et de ses effets mécaniques
Résumé
A theoretical approach has been combined with an experimental one in order to better understand the mechanical behaviour of a concrete affected by Alkali-Aggregate Reaction (AAR), and more precisely by Alkali-Silica Reaction. The interest of a model, based on the mechanics of reactive porous media, first appears with the design of the experimental program, which involves more than six hundred samples. A first simple model has affected the choice of the main parameters (external water supply, temperature and stress) and also led us to consider a link between the mechanical consequences and the internal causes of AAR. Experimental data on deformations, cracking, weight variations and mechanical properties have been gathered. Furthermore, various techniques have allowed us to study the evolution of the material microstructure: scanning electron microscopy, visualization of the reaction products by fluorescence of the uranyle ion, mineralogical calculations. The main results are as follows: - The state of stress does not affect the development of the physico-chemical mechanisms involved in AAR. A method, based on 'imposed chemical deformations', may thus be proposed for calculting the structures concerned. - Osmotic pressure (or imbibition) appears to play a secondary role on the swelling owing to AAR, which results from the location of the reaction products. - The quantity of water available when the products are formed is a major factor of the swelling amplitude and kinetics. - Swelling can reach 0.1%, using only the water still available after cement hydration. - If the loss of water reaches a critical value, AAR simply stops, waiting for further water supply.- The intrinsic swelling heterogeneity was quantified; it emphasized the interest of a probabilistic framework for modelling AAR. - Monitoring the evolution of the mechanical properties showed that the compressive and splitting tensile strengths are not affected by AAR, whereas the Young's modulus decreases by about 30%, because of cracking. - The causes of the free swelling anisotropy are related to the casting direction and concrete anisotropy, regardless of AAR. - The S-shaped deformation curves are due to the increase in the porous space while concrete swells, making diffusion easier and hence accelerating the physicochemical mechanisms. - The swelling acceleration stage greatly determines the deformation kinetics of an AAR-affected concrete. External water supply and, above all, temperature have a major influence on the duration of this stage. All these results have enabled us to identify the parameters of a more advanced model describing the free swelling of a concrete similar to that of many affected structures in Northern France.
Ce travail allie une approche théorique, basée sur la mécanique des milieux poreux réactifs, à une approche expérimentale importante, afin de mieux comprendre le fonctionnement d'un béton atteint d'alcali-réaction (plus précisément, de réaction alcali-silice). L'intérêt de la modélisation se manifeste dès la conception du programme d'essais, en orientant le choix des principaux paramètres - apports d'eau, température et contraintes - et en induisant une méthodologie d'étude qui établit un parallèle entre les effets macroscopiques et les causes microscopiques de l'alcali-réaction. Le volet expérimental a porté sur les déformations, fissurations, variations de poids et caractéristiques mécaniques de plus de six cents éprouvettes, en gonflement libre ou sous contrainte uniaxiale. Parallèlement, l'évolution de la microstructure du matériau a été étudiée par différentes techniques: microscope électronique à balayage, visualisation des produits de réaction par fluorescence des ions uranyle, calculs minéralogiques. Les principaux résultats expérimentaux ont été établis sur des bétons ordinaires à base de granulats calcaires (réactifs ou non) et de ciment Portland artificiel. Ils concernent principalement : - l'absence d'influence de l'état de contrainte du matériau sur l'évolution des processus physico-chimiques constituant l'alcali-réaction, ce qui permet d'envisager un calcul d'ouvrage par une approche de type 'déformations chimiques imposées', - le caractère secondaire, sur le plan du gonflement macroscopique, des phénomènes de nature osmotique, et la prépondérance de l'effet de la localisation des produits de réaction, - le rôle primordial, vis-à-vis du gonflement, de la quantité d'eau disponible au moment de la formation des produits de réaction, - la possibilité d'obtention de déformations atteignant 0,1% à partir de la seule eau de gâchage non utilisée par l'hydratation du ciment, - l'indépendance des phénomènes de transport d'eau par rapport à la présence d'alcaliréaction, - l'existence d'un seuil de dessiccation en dessous duquel l'alcali-réaction est bloquée jusqu'à l'arrivée de nouveaux apports d'eau, - la quantification de l'hétérogénéité intrinsèque, justifiant l'introduction d'un aléa sur le gonflement asymptotique, - le suivi de l'évolution des caractéristiques mécaniques, montrant le maintien des résistances en compression et en traction par fendage et une chute de l'ordre de 30% du module d'Young, liée à la fissuration des éprouvettes, - l'explication de l'origine de l'anisotropie du gonflement libre, due au sens du coulage et à l'anisotropie du béton, indépendamment de l'alcali-réaction, - la compréhension des causes de la forme sigmoïdale des courbes de gonflement, résultant de l'augmentation de l'espace poreux au fur et à mesure du développement de l'alcali-réaction et donc de la plus grande facilité de diffusion, - la mise en évidence de l'importance de la phase d'accélération des phénomènes (notion de temps de latence), dont la durée dépend des apports d'eau extérieurs, mais surtout de la température (dont l'effet est essentiellement cinétique). Ces résultats ont permis d'identifier les ordres de grandeur des paramètres fondamentaux d'une loi de comportement décrivant l'évolution d'un béton du même type que celui de plusieurs ouvrages atteints d'alcali-réaction, dans le Nord de la France.
Mots clés
béton hydraulique
calcaires
réaction alcali granulat
propriété chimique
propriété mécanique
gonflement
déformation
anisotropie
cinétique
contrainte
fluage
retrait
fissuration
teneur eau
humidité relative
porosité
température
osmose
microstructure
texture
microscope électronique
étude expérimentale
modélisation
milieu poreux
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Mécanique [physics.med-ph]
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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