Caractérisation expérimentale et modélisation du phénomène d'auto-cicatrisation des fissures dans les bétons

• Auteur / Autrice : Sébastien Granger
• Direction : Gilles Pijaudier-Cabot, Ahmed Loukili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Centrale Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Béton -- Fissuration

Résumé

L’apparition de fissures dans les structures en béton, à la suite de sollicitations de toute sorte (mécaniques, thermiques…) ou d’effets différés (fluage, retrait…), entraîne des pertes de résistance et des problématiques de durabilité, liées à l’étanchéité et aux propriétés de transfert. Sous certaines conditions, et sans intervention extérieure de réparation, certaines fissures peuvent se cicatriser. Le phénomène est principalement dû à des réactions chimiques entre l’eau et le ciment, hydraté ou non, présent dans le béton. La cicatrisation a, jusqu’à présent, été principalement mise en évidence par des essais de perméabilité à l’eau, montrant ainsi les répercussions positives sur les problèmes de durabilité. Le travail présenté s’attache alors à étudier l’apport du phénomène d’un point de vue mécanique. Un programme expérimental est ainsi développé, visant à quantifier le comportement mécanique, sous flexion 3 points, d’éprouvettes de béton initialement fissurées, puis vieillies dans des conditions favorisant ou non l’auto-cicatrisation. Différents types de bétons sont étudiés, un matériau modèle à hautes performances, et des bétons classiques. Les propriétés de fissuration sont également analysées par émission acoustique. Les résultats montrent alors une reprise de propriétés mécaniques des éprouvettes après conservation dans l’eau, et le suivi de fissuration par émission acoustique confirme que cet apport mécanique est dû à la précipitation de nouveaux cristaux dans la fissure, moins résistants que ceux issus des réactions primaires d’hydratation du ciment. Ces cristaux sont alors analysés par microscopie électronique à balayage et par spectrométrie à sélection d’énergie, et un lien est établi entre les résultats mécaniques observés et les morphologies particulières des espèces formées. L’ensemble de ces résultats conduit alors à proposer une première approche de modélisation du comportement mécanique des éprouvettes, incluant le phénomène de cicatrisation, et des premiers résultats qualitatifs sont obtenus. En parallèle de ces travaux sur le comportement mécanique, une technique de contrôle non destructif, basée sur le principe de retournement temporel, est développée pour permettre le suivi in vivo de phénomènes dans le béton. Les résultats d’essais préliminaires appliqués à l’auto-cicatrisation sont ainsi présentés.

The propagation of cracks in concrete structures, due to loadings (mechanical, thermal. . . ) or time dependant effects (creep, shrinkage…), results in loss of resistances and durability problems, linked to watertightness and transfer properties. With specific conditions, and without any external intervention of repair, some cracks can heal themselves. The phenomenon is mainly based on chemical reactions between water and cement, hydrated or not, available in hardened concrete microstructure. The self healing phenomenon has been mainly highlighted, in previous works, by means of water permeability tests, showing its role in durability considerations. The presented work aims at analysing the role of the phenomenon on a mechanical point of view. An experimental program is developed, in order to quantify the mechanical behaviour, under 3 points bending, of concrete beams initially cracked, and then aged in conditions allowing or not the occurrence of the phenomenon. Different kinds of concrete are analysed, a model material with high performances and classical concretes. The cracking processes of the specimens are also studied with acoustic emission techniques. The results show a recovery of mechanical properties for the specimens stored in water, and the following of cracking processes confirms that this mechanical gains are due to the precipitation of new crystals in the cracks, which are less resistant than those from the normal hydration of cement. These crystals are then analysed by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry, and a link is established between the mechanical results and the characteristics of the new crystals. With these results, a first approach of mechanical behaviour modelling including the self healing is proposed, and first qualitative results are presented. In parallel to this work on the mechanical behaviour, a non destructive technique, based on the time reversal principle, is developed in order to follow phenomena in concrete. The results of preliminary tests applied to the self healing are thus presented.