Experimental Analysis of the mechanical effects of Delayed Ettringite Formation (DEF) on concrete structures

Analyse sur structures modèles des effets mécaniques de la Réaction Sulfatique Interne (RSI) du béton

Renaud-Pierre Martin (1)

1 IFSTTAR - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux

Delayed Ettringite Formation (DEF) is an autogenous reaction that can affect concretes heated at a temperature higher than about 65°C (precast concrete, massive structures). It leads to the precipitation of ettringite in the hardened material that induces swellings, cracking and decrease of the mechanical properties. In the field, this reaction is often observed acting simultaneously with Alkali Aggregate Reaction (AAR) whose macroscopic effects are similar. For a structure manager, it is necessary to be able to diagnose the reaction, to assess the safety and serviceability of the structure, to predict its evolution and finally to determine repair methods. To answer these objectives, it is necessary to understand the effects in a precise way both at a microscopic scale and at the scale of a structure. In the literature, a lot of experimental and theoretical researches have been reported. They mainly deal with the chemo-physical mechanisms of the reaction. However due to the complexity of the underlying phenomena, these data can be quite difficult to use to explain the structural behaviour of the affected structures. In this context the macroscopic approaches seem to be well adapted to complement the explanation of these effects using the basic knowledge of the microscopic phenomena. To develop such approaches, it is necessary on the one hand to finely understand the effects of the reaction at the scale of the material. This report describes the results of a laboratory study that aimed at providing data to reach this objective: tests were performed on small specimens to assess the couplings between the swellings and humidity, temperature and mechanical loadings. On the other hand, to understand the mechanical behaviour of structures affected by DEF, a dimensional and hydrous monitoring of reinforced and plain concrete beams (affected by DEF or both DEF and AAR) was performed. The combined use of these material and structural data gives the opportunity to develop macroscopic models by formulating and calibrating coupling laws and to validate them by comparing their predictions to the experimental results. Firstly, a literature review is proposed to analyse the available knowledge concerning DEF. Secondly, the experimental programme defined in this study is described in details as well as the original experimental techniques developed in this work. Then, the study concerning the couplings between the swellings and the moisture conditions is given. The couplings between DEF and AAR are investigated in this part of the research as well. Finally, the experiments performed on structures are analysed. A theoretical approach based on the theory of the strength of materials is proposed to explain the structural behaviour of these specimens. Moreover, an application of the RGIB re-assessment method is proposed to illustrate the methodology developed at the LCPC.

La Réaction Sulfatique Interne (RSI) est une pathologie endogène du béton pouvant affecter les matériaux soumis à un échauffement au-delà d'une température d'environ 65°C (résultat d'un procédé de préfabrication ou d'un échauffement d'une pièce massive lors de l'hydratation du ciment). Elle consiste en une formation d'ettringite tardive dans le matériau durci à partir des sulfates initialement présents et conduit à un gonflement du béton. Il s'en suit une fissuration de celui-ci et une dégradation des performances mécaniques pouvant poser des problèmes d'intégrité structurelle à l'instar des effets de la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à laquelle elle est fréquemment observée couplée in situ. Lorsqu'un ouvrage est atteint, il convient de savoir diagnostiquer la pathologie, évaluer l'aptitude au service de celui-ci, prédire l'évolution mécanique de la structure et mettre en œuvre des méthodes de réparation. La réponse à ces objectifs nécessite une compréhension fine des effets de la RSI tant à l'échelle microscopique qu'à l'échelle de l'ouvrage. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées afin de déterminer les mécanismes physico-chimiques mis en jeu ainsi que les paramètres influençant la RSI. Néanmoins, la complexité des phénomènes sous-jacents peut rendre délicate la transposition de ces connaissances pour expliquer les effets structurels. Les approches macroscopiques semblent donc pouvoir apporter des éléments complémentaires de réponse à ces questions en se basant sur les connaissances déjà acquises et disponibles dans la littérature. Afin de mettre au point de telles approches, il est nécessaire de développer une compréhension détaillée des effets de la pathologie à l'échelle du matériau. Ce mémoire décrit les résultats d'une étude de laboratoire mettant en œuvre des essais sur éprouvettes pour caractériser les couplages entre les gonflements et l'humidité, la température, et l'état de contraintes. Ces travaux ont également été l'occasion d'étudier plus en détail les couplages existant entre RAG et RSI. En parallèle, des suivis dimensionnels et hydriques de poutres armées ou non et soumises à des conditions d'exposition à l'humidité contrôlées ont permis de constituer une base de données des effets structurels de la RSI (couplée ou non à la RAG). La confrontation de ces recherches menées conjointement à l'échelle du matériau et de la structure fournit des données permettant d'une part de mettre au point des méthodes de re-calcul des ouvrages (en formulant notamment les lois de couplages nécessaires) et d'autre part de les valider en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux. Ce mémoire propose tout d'abord une étude bibliographique faisant le point sur les principales connaissances disponibles sur la RSI. A l'aide de celles-ci, un programme expérimental a été défini et est décrit en détail. Une large partie de ces travaux est consacrée à l'étude des couplages entre humidité et expansion de RSI, couplée ou non à la RAG. Différentes histoires hydriques sont envisagées et sont confrontées aux cinétiques et amplitudes de gonflement correspondantes. Enfin, une analyse détaillée du fonctionnement de structures simples soumises à une réaction de gonflement est proposée. Après une description et une interprétation des résultats expérimentaux, une étude du fonctionnement structurel des corps d'épreuve dans le cadre de la théorie des poutres est proposée. De plus, un exemple d'application du module de re-calcul RGIB est proposé.

Mots clés: DEF; concrete; ettringite; swellings; humidity; couplings; experimental monitoring

Mots clés: RSI; béton : ettringite; gonflement; humidité; structure; couplages; suivi expérimental

Domaines: Matériaux

Renaud-Pierre Martin. Analyse sur structures modèles des effets mécaniques de la Réaction Sulfatique Interne (RSI) du béton. Matériaux. Université Paris-Est, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00558200v1⟩