Relation chaleur d'hydratation du ciment : montée en température et contraintes générées au jeune âge du béton

par Agathe Bourchy

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Jean-Michel Torrenti.

Soutenue le 19-03-2018

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Département matériaux et structures (laboratoire) et de Département Matériaux et Structures / IFSTTAR/MAST (laboratoire) .

Le président du jury était Farid Benboudjema.

Le jury était composé de Jean-Michel Torrenti, Laurie Lacarrière, Laury Barnes-Davin, Laëtitia Bessette.

Les rapporteurs étaient Stéphanie Staquet, Ahmed Loukili.


  • Résumé

    L’hydratation du ciment est une réaction exothermique. Ce phénomène est particulièrement surveillé lorsque des pièces massives sont construites étant donné l’élévation de la température, le développement de contraintes thermomécaniques et le risque de réaction sulfatique interne. Compte tenu de la grande variété des formules de béton, le choix d’un ciment ayant une basse chaleur d’hydratation à 41 h n’est plus exclusif. La chaleur totale dégagée dépend d’autres paramètres de formulation tels que le dosage en ciment et l’emploi d’addition. D’un point de vue mécanique, le risque de fissuration dépend aussi du développement des propriétés mécaniques. Dans le but de mieux connaître et contrôler ces risques, une étude de l’effet de la composition du ciment sur la cinétique d’hydratation et les propriétés du ciment, et notamment, sur le dégagement de chaleur est d’abord réalisée. A la suite de cela, la formulation du béton est étudiée afin de voir son effet sur les propriétés thermomécaniques de celui-ci. Enfin, un nouvel essai permettant d’évaluer le risque de fissuration du béton est développé. Le premier chapitre présente donc tout d’abord un condensé des connaissances sur l’hydratation du ciment et de ses propriétés, suivi du type d’essais réalisés et les différents ciments fabriqués, et enfin l’analyse des résultats puis les ciments sélectionnés pour la poursuite de l’étude au niveau béton. Dans le deuxième chapitre, après une étude bibliographique du béton, une trentaine de bétons sont formulés à partir des ciments précédemment sélectionnés et sont étudiés thermiquement par mesure de chaleur d’hydratation. Grâce aux résultats obtenus, un outil de formulation permettant de prendre en compte un cahier des charges est développé. Après sélection de 9 bétons – dont l’échauffement thermique et les résistances mécaniques varient, le troisième chapitre s’attache à les caractériser de manière plus poussée au jeune âge, avec un suivi de l’évolution du module d’Young statique et dynamique, des déformations endogènes ainsi que du fluage. Un nouvel essai à l’anneau mettant en jeu l’échauffement thermique durant l’hydratation et les déformations endogènes gênées du béton est développé. L’imposition de l’échauffement thermique mesuré d’une pièce massive dans l’anneau permet de tester le béton comme s’il était utilisé dans une structure. L’utilisation d’anneau en invar ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du béton induit, lors de l’échauffement, des contraintes en compression dans le béton, et lors du refroidissement, des contraintes en traction. Lorsque les contraintes en traction générées sont supérieures à la résistance en traction du béton, il y a fissuration. Enfin, le dernier chapitre consiste à modéliser l’essai à l’anneau avec le logiciel de calcul CESAR en prenant en compte l’évolution de l’échauffement thermique, du module d’Young, des déformations endogènes et du fluage du béton et de confronter les résultats obtenus avec les essais expérimentaux

  • Titre traduit

    Relation between the hydration heat of the cement and the increase of temperature and stress at the early age in concrete


  • Résumé

    Hydration reactions of cement are exothermic. This phenomenon is especially tracked in large concrete structures because temperature gradients create mechanical stresses which can induce the development of cracks or of Delayed Ettringite Formation (DEF). Nowadays, because of the wide range of concrete formulations, low 41 h hydration heat cement need not to be used. Hydration heat depends on other formulation parameters such as quantity of cement and addition use. From a mechanical point of view, the risk of cracking also depends on the development of mechanical properties. In this study, screenings of constituents and characteristics of cement and concrete are performed to determine which ones have the most influence on the thermal activity and on the heat released in massive concrete structures. Then, the effect of concrete formulation on its thermo-mechanical properties is studied. Finally, a new experimental test is developed in order to evaluate the risk of cracking. In the first chapter, a summary of knowledge on the cement hydration and its properties is presented. Experimental tests, fabrication of cement and results are then explained. Nine cements are selected for pursuing the study at the concrete level. The second chapter presents state of the art on concrete and the results obtained for 30 formulated concretes. Hydration heat and compressive strengths are measured. A mix design tool is created according to the results in order to meet the required specifications. In the third chapter, the risk of cracking at early age is assessed for nine different concretes, including concretes with a low heat of hydration. Characteristics of concrete at early age such as the evolution of the mechanical properties (dynamic and static Young’s modulus, dynamic shear modulus and Poisson ratio) are measured dynamically, thanks to ultrasonic waves, and statically, by loading cycles. Autogenous shrinkage is evaluated since setting. Finally, the risk of cracking is monitored using dual concentric rings for evaluating stress development due to restrained volume change. In the fourth chapter, BT-Ring test is modeled with CESAR - an IFSTTAR software – and compared to the experimental results

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