Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Structures, Institut de structures IS (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Comportement au jeune âge et différé d'un BFUP écrouissant sous les effets thermomécaniques

Kamen, Aicha ; Brühwiler, Eugen (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3827.

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    Summary
    This thesis is dedicated to study the early age behavior and time dependant as well as the thermo-mechanical response under restraint of a hardening Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). The knowledge of the UHPFRC behavior is indispensable to estimate the cracking risk in composites structures. The phenomena which develop during the hydration progress of the material as the capillary network development and the physico-mechanical properties were considered. The effect of temperature curing conditions on these phenomena was characterized. The test and predicted (issue from modeling and numerical simulations) results are presented and discussed in this report. The tested UHPFRC is characterized by high mechanical performances with a faster evolution of the Young modulus with regard to the other properties. The measured mechanical properties can be predicted very well with the CEB-FIB model. The tested UHPFRC is characterized by a low degree of hydration due to the low water-binder (w/b) ratio. This experimental result was confirmed by a numerical estimation by means of the adapted Powers and Waller models as well as a numerical estimation through the heat realized during the hydration process. A linear relationship between the mechanical performances and the degree of hydration was shown and the action of the microstructure evolution on the mechanical performances development was elucidated. It was attributed to the beneficial effect of the unhydrated particles of silica fume and cement because of the pore size refinement in the microstructure. Besides, the current UHPFRC is characterized by a fast autogenous shrinkage kinetics related to the dominant self-desiccation during the first days of the hydration. Thanks to a numerical estimation with Laplace and Kelvin laws, self desiccation measurement under various temperatures were used to distinguish and to put in evidence the effect of the temperature on the porous structure, the capillary pressures and consequently on the contraction of the solid matrix. The contribution and the beneficial effect of fibres towards the autogenous shrinkage were also showed. In fact, fibres act as internal restraint and can prevent the free matrix deformation. The high temperatures improve widely the rate of hydration at early age (7 days) and so lead to increase initially the autogenous shrinkage. In the long term, an inverse effect of the temperature was observed on the evolution of the degree of hydration and the measured physico-mechanical properties, which was attributed to the influence of the temperature on the ions haste and distribution during the hydration process. The influence of the temperature on the degree of hydration and the compressive strength was characterized and modeled and the corresponding parameters were used to estimate the energy of activation of the studied UHPFRC. The dominant role of the autogenous shrinkage at early age was clarified and the associated stresses, which develop at the early age under total restraint, were quantified by means of the TSTM. These stresses remain moderate. The UHPFRC creep potential is important. UHPFRC exhibits high creep. This was attributed to the high volume of paste (88 %), which is subjected to creep. Existing models in the literature were used; certain models predict the UHPFRC behavior in a satisfactory way and with a certain precision. One notes that the early age stress predictions are dependent on the software used and especially on the creep model. In our case, the generalized Maxwell model was used.
    Résumé
    Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement au jeune âge et différé ainsi qu'à la réponse thermomécanique sous entrave d'un Béton Fibré à Ultra Haute Performance (BFUP) écrouissant. La connaissance du comportement du BFUP est indispensable pour estimer le risque de fissuration dans des éléments de structures mixtes. Les phénomènes qui se développent au cours de l'évolution de l'hydratation du matériau, à savoir le développement de la microstructure et des propriétés physico-mécaniques ont été étudiés. Enfin l'influence des conditions de cure thermique sur ces phénomènes a été analysée. Les résultats d'essais, de modélisation et de simulations numériques sont présentés et discutés dans ce rapport. Le BFUP testé se caractérise par des performances mécaniques élevées avec une évolution plus rapide du module d'élasticité par rapport aux autres propriétés. Les propriétés mécaniques peuvent être prédites avec le modèle CEB-FIP adapté. Le BFUP testé se caractérise par un faible degré d'hydratation dû au faible rapport (E/L), ce résultat expérimental a été également confirmé par une estimation par le biais des modèles de Powers adapté et celui de Waller ainsi que par une estimation numérique basée sur les chaleurs dégagées. Une corrélation linéaire entre les performances mécaniques et le degré d'hydratation a été montrée et l'action de l'évolution de la microstructure sur le développement des performances mécaniques a été mise en évidence, elle est attribuée à l'effet bénéfique de la fumée de silice et du ciment non hydratés au confinement de la structure poreuse. Le BFUP est caractérisé par ailleurs par une cinétique rapide du retrait endogène en relation avec l'action dominante de l'autodessiccation durant les premiers jours de l'hydratation. La mesure de l'autodessiccation sous différentes températures a permis de distinguer et de mettre en évidence l'effet de la température sur la structure poreuse, les pressions capillaires et par voie de conséquence sur la contraction de la matrice solide grâce à un calcul faisant appel aux lois de Laplace et de Kelvin. La contribution et l'effet bénéfique des fibres vis-à-vis du retrait endogène ont été aussi observés et ce du fait que les fibres agissent comme entrave interne empêchant la matrice de se déformer librement. Les températures élevées augmentent largement le taux d'hydratation au jeune âge (7 jours) et conduisent ainsi à accentuer initialement le retrait endogène. A long terme, un effet inverse de la température a été observé sur l'évolution du degré d'hydratation et des propriétés physico-mécaniques mesurées, attribué à l'influence de la température sur la précipitation et la diffusion des ions au cours du processus d'hydratation. L'influence de la température sur le degré d'hydratation et la résistance à la compression a été caractérisée et modélisée et a permis d'estimer l'énergie d'activation du BFUP étudié. Le rôle dominant du retrait endogène au jeune âge a été élucidé et les contraintes associées qui se développent au jeune âge sous entrave totale ont été quantifiées par le biais de la TSTM. Ces contraintes demeurent modérées. Le potentiel de fluage du BFUP testé est important. Ceci a été attribué à l'importance du volume de pâte (88%), qui est susceptible de fluer. Des modèles existants dans la littérature ont été utilisés, certains ont permis de prédire le comportement du BFUP d'une manière satisfaisante et avec une certaine précision. Les résultats des simulations numériques des contraintes sont dépendants du logiciel numérique utilisé et en particulier du modèle de fluage et dans notre cas le modèle de Maxwell généralisé implémenté dans MLS a été utilisé.