Relations entre composition des bétons, exothermie en cours de prise et résistance Fen compression

Relationship between mix design of concrete, generation of heat during hydration and compressive strength

• Auteur / Autrice : Vincent Waller
• Direction : François de Larrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Jury : Président / Présidente : Hélène Zanni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Acker, Roger Dron, Pierre Laplante, Alain Pellequer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Micheline Moranville, André Carles-Gibergues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ciment

Liants

Hydratation

Béton

Mots clés libres

Matériau construction

Modélisation

Relation composition propriété

Résistance compression

Composition matériau

Réaction exothermique

Réaction exothermique

Fumée silice

Fumée silice

Cinétique

Pouzzolane

Construction materials

Concrete

Modeling

Property composition relationship

Compressive strength

Material composition

Hydration

Exothermic reaction

Experimental study

Binders

Cement

Silica fume

Fly ash

Kinetics

Pozzolana

Résumé

La maitrise des risques de fissuration d’origine thermique dans les structures en béton passe par la connaissance de l’exothermie qui accompagne l’hydratation des liants, en particulier dans le cas de liants mixtes contenant du ciment et des pouzzolanes (fumée de silice ou cendre volante silico-alumineuse). Les travaux présentés ici ont consisté à modéliser cette exothermie en fonction de la composition du béton, après une étude bibliographique sur le sujet et la réalisation d’une campagne expérimentale, comportant entre autres de nombreux essais calorimétriques, complétant les résultats trouvés dans la littérature. Dans un premier temps, on a cherché à prévoir l’amplitude finale de l’exothermie. Pour cela, on a été amené à estimer, en fonction de la composition du béton et de la nature des liants, les quantités finales de liants susceptibles de réagir dans l’hydratation, puis l’exothermie accompagnant l’hydratation de chacun des liants ; on a également proposé un mode de calcul de la capacité thermique du béton en fonction de sa température et de l’avancement de l’hydratation. Le modèle proposé à l’issue de cette étape donne l’élévation finale de température du béton avec un erreur moyenne inférieure à 2°C sur la soixantaine de bétons testés. On s’est ensuite attaché à l’étude de la cinétique de production de chaleur dans le béton. Celle-ci se déduit relativement bien de la cinétique d’hydratation du ciment, caractérisée par un essai standard sur ciment, et de celle de la réaction pouzzolanique qui est apparue à peu près constante pour un type de pouzzolane donné (fumée de silice ou cendre volante silico-alumineuse). Par ailleurs, l’étude de la participation des pouzzolanes à la résistance en compression du béton a conduit à proposer une amélioration d’un modèle existant qu’on a ensuite validé sur un large ensemble de résultats expérimentaux extraits de la littérature. Cette dernière étape a permis de comparer les modes de participation des pouzzolanes à la production de chaleur d’une part, et à la résistance du béton d’autre part.

In a structural analysis, the temperature rise of concrete during hydration is an important parameter of the cracking control process. The heat produced by cement hydration or pozzolanic reactions (when a pozzolan-Portland cement binder is used) must thus be known. The aim of this study was to predict the heat generation on the basis of concrete mix-design. After a bibliographical review, an experimental program was conducted including many calorimetrix tests. To be able to predict the final amount of produced heat, the final degree of hydration of the Portland cement and the final pozzolanic activity of the mineral admixture were estimated. The cement heat of hydration was calculated on the basis of phases proportions. The heat of reaction of different pozzolans was measured by a specific test. A formula to calculate the thermal specific heat of concrete when temperature of degree of hydration vary is given. On the presented set of data (approximately 60 concrete formulas), the accuracy of the model is better than 2°C. The next step was the study of heat generation kinetics. It seems that it can be deduced from the cement hydration kinetics, characterises by a standard test, and the pozzolanic reaction kinetics which was shown to be approximately constant for a given pozzolan family. In other respects, the study of the way pozzolans contribute to concrete compressive strength led to propose a enrichment of an existing model which was then validated on a large amount of experimental data given by different bibliographical sources. This last step made it possible to compare the contributions of pozzolans to heat generation and to strength.