Essais de traction sur béton durci

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Dans un précédent laboratoire sur béton en compression, nous avons observé que le béton peut supporter très grands stress sous la force de compression uniaxiale. Cependant, les échecs observés n’étaient pas des échecs de compression mais échecs le long des plans de cisaillement où se produit une force de traction maximale. Ainsi, il est important de comprendre le comportement du béton en tension et en particulier sa résistance maximale qui régissent les deux son ultime et comportement du service. Du point de vue ultime, combinaisons de tensions et de contraintes de cisaillement conduira à défaillance fissuration et immédiat et catastrophique. Pour cette raison, le béton est rarement si jamais utilisée dans une condition non armée dans des applications structurales ; membres plus concrètes seront renforcés avec de l’acier afin que ces fissures peuvent être arrêtés et les largeurs de fente limité. Ce dernier est important du point de vue facilité d’entretien car contrôler la largeur de la fissure et distribution est la clé de la durabilité, comme cela n’entravera dégivrage sels et produits chimiques similaires pénétrant et la corrosion de l’armature en acier.

Les objectifs de cette expérience sont de trois types : (1) pour effectuer des tests de cylindre de traction split pour déterminer la résistance du béton à la traction, (2) pour effectuer des tests de faisceau pour déterminer la résistance à la traction du béton et (3) pour démontrer l’influence de renfort en acier sur comportement en comparant le comportement du faisceau légèrement renforcée par un non armé.

La capacité de résistance à la traction (f,_t) d’un matériau composite fragile comme le béton est souvent de l’ordre de 1/10 de sa capacité de compression (f'c). Ce comportement est motivé par l’existence d’une couche très faible, appelée la zone de transition interfaciale (ITZ), entre le mortier et l’agrégat. Cette couche très mince (seulement environ 40 μm ou plus) contient moins non ciment et calcium silicates hydrates (C-S-H) que le mortier, mais plus gros cristaux orientés d’hydroxyde de calcium (C-H) ainsi que trisulfate hydrate (ou ettringite, la longue aciculaires Ouvrages d’art). Ces deux facteurs contribuent à une plus grande porosité dans cette couche et donc à une résistance plus faible. En outre, le fait que l’espacement moyen entre les particules de l’agrégats est seulement 2 à 2,5 fois l’épaisseur de la ITZ, signifie qu’une quantité très importante du mortier, par certains estime que jusqu'à 40 %, est constitué de ce matériau plus faible.

Le comportement fragile du béton est attribuable à la croissance des microfissures qui se propagent de concentration de contraintes qui surviennent entre le granulat et le mortier. Ce qui est, du point de vue conceptuel, l’état de contrainte autour d’une particule globale cycle idéalisée comme une force de compression est appliquée ? Comme la compression essaie de « flow » autour de la particule et le vecteur de force devient enclin, développent des forces de traction dans le sens horizontal. Ces forces sont plus élevés à l’interface en raison de la concentration de contraintes. La combinaison des grandes forces de traction et une faible ITZ conduire à la fissuration préférentielle dans ce domaine.

Lorsque la contrainte de compression augmente lors d’un essai de cylindre, ces fissures commencent à se développer et se propager à la suite des contraintes de traction transversales, microfissures initial existant et la présence de la ITZ faible. La volonté de croissance crack devenir instable que le béton atteigne sa force maximale, et le béton va perdre sa capacité à maintenir la force très rapidement que les fissures se propagent à grande vitesse. Il en résulte un comportement globalement fragile pour béton, ainsi que pour beaucoup de matériaux céramiques similaires avec des zones de faibles interface.

La faible capacité de résistance caractéristique du béton fait également une tension directe d’essai très difficile à effectuer, comme des éprouvettes de traction conventionnels ont tendance à échouer à l’attaquer en raison de la concentration de contraintes. Une solution élégante autour de ce problème consiste à tester des bouteilles couchées. Cette méthode est appelée la bouteille de split ou essai brésilien. Dans ce test, comme un s’éloigne de la tête de chargement, où il y a un complex état de stress, un champ de contrainte de traction horizontale uniforme se développera. Le béton étant faible dans la tension, cela conduira à une fissure verticale et l’éclatement de la bouteille. Des études statistiques, le test du cylindre split devrait donner les capacités de résistance à la traction sur l’ordre de 6√f'c.

Un autre moyen indirect d’essais béton en tension consiste à utiliser un spécimen de faisceau court dans une configuration de test flexion quatre points. La partie centrale de la poutre est en moment constant et zéro au cisaillement, et ainsi on peut tirer une relation simple entre la charge de rupture, les propriétés géométriques et la résistance à la traction de la poutre à l’aide des principes de la théorie élastique. Le faisceau échouera soudainement dès qu’une fissure se forme au fond et n’avoir aucune résistance résiduelle. Bien qu’il est bien connu que, à défaut la distribution des souches sur la profondeur de la poutre en béton ne suit pas tout à fait ceux de la théorie élastique, cette incohérence est généralement considéré comme ayant peu d’influence sur le résultat final. Des études statistiques, l’essai de traction de faisceau est censé donner les capacités de résistance à la traction sur l’ordre de 7.5√f'c.

La défaillance soudaine et fragile observée dans l’essai de poutre en béton serait inacceptable dans n’importe quelle application pratique, où force de ductilité et résiduel de porter au moins les charges de gravité est nécessaire. Armature en acier est ajoutée en bas (ou résistance à la traction latérale) du faisceau pour éviter ces ruptures soudaines ; comme le béton commence à craquer, l’acier commence à relever les forces de traction. La technique fonctionne aussi longtemps que les barres, qui présentent des déformations de surface pour les aider à transférer des forces du concret, sont bien ancrés. Dans le cas d’une poutre courte comme celle qui sera testé ici, cela s’accomplira en fournissant un crochet au bout des barres. En outre, parce que les fissures de cisaillement diagonale peuvent se produire près de la profondeur moyenne de la poutre, étriers verticales sont généralement fournis. Enfin, en raison de la nature indéterminée de structures en béton armé, il est difficile de savoir avec certitude où la tension et de compression sera sur une poutre sous un ensemble particulier de charges. Pour cette raison, barres seront également placés en haut, résultant dans la cage en acier typique que l'on observe dans la plupart des poutres dans les structures en béton armé.

1. Test de Tension Split

1. Pour ce test, utilisez les cylindres de l’échantillon qui ont été préalablement préparées (voir JoVE vidéo " "essais sur béton frais""). Obtenir deux fines bandes de balsa bois ou similaire (environ 1/8" x 1"" x 8 large épais' long) afin de répartir les charges sur les cylindres.
2. Mesurer les dimensions des deux cylindres. Tracez une ligne le long du diamètre à chaque extrémité de l’échantillon en coupant le cylindre.
3. Centrer une bande le long du centre du bloc de roulement inférieur de la machine d’essai.
4. Placez la bouteille sur le strip et aligner afin que les lignes de marquage sur les extrémités de l’échantillon sont vertical et centré sur la bande.
5. Placer une seconde bande longitudinale sur le cylindre.
6. Abaissez le haut responsable de la machine d’essai de chargement jusqu'à ce que l’Assemblée est attachée dans la machine.
7. Estimation au maximum le spécimen de chargement peut prendre en supposant que la résistance à la traction soit 6√c f' , où f'c est la résistance nominale béton.
8. Appliquer la charge compressive lentement (à environ 100 lb/po2 à 200 lb/po2 par min.) et continuellement jusqu'à ce que l’échantillon n’est en tension de split.
9. Enregistrer la charge maximale appliquée.
10. Examiner la surface de rupture et d’estimer le pourcentage d’agrégat qui a fracturé.

2. Test de Tension faisceau

1. Construire une poutre en béton avec un 4 x 4 po cross section et 36 po de longueur.
2. Installer un appareil d’essai flexion 4 points dans la machine d’essai.
3. Retirez le faisceau soigneusement et installez-le dans le critère mis en place.
4. Allumez la machine d’essai et d’activer le logiciel pour lire la charge et les déformations.
5. Estimer la charge maximale de l’échantillon peut prendre, en supposant que la résistance à la traction est 7,5√c f' et appliquez la charge compressive lentement (à environ 100 lb/po2 à 200 lb/po2 par minute) et sans interruption jusqu'à ce que le spécimen échoue.
6. Enregistrer la charge maximale appliquée.
7. Examiner la surface de rupture et d’estimer le pourcentage d’agrégat qui a fracturé.

3. renforcée poutre Test

1. Construire une poutre béton, renforcée avec des barres de deux #3 (diamètre de 3/8 po) située à environ 0,5 po du bas. Les barres ont des crochets aux extrémités pour empêcher une barre échec d’arrachement. La poutre est de 4 po x 4 po en coupe transversale avec un 36 pouces de longueur non pris en charge.
2. Installer un appareil d’essai flexion 4 points dans la machine d’essai.
3. Retirez le faisceau soigneusement et installez-le dans le critère mis en place.
4. Allumez la machine d’essai et d’activer le logiciel pour lire la charge et les déformations.
5. Estimer la charge maximale de l’échantillon peut prendre, en supposant que la résistance à la traction est 7,5√c f' et appliquez la charge compressive lentement (à environ 100 lb/po2 à 200 lb/po2 par minute) et sans interruption jusqu'à ce que le spécimen échoue.
6. Enregistrement de la charge appliquée et déformations en cours de test.

La résistance à la traction de la charge de compression maximale atteinte pendant l’essai de traction de split est donnée par la formule suivante :
f_t = 2Pmax / (πDL)
où D est le diamètre (pouces), L est la longueur (pouces) et Pmax est la force de compression maximale (lb) atteint au cours de l’essai de traction. Pour ces tests, la moyenne était de 388 lb/po2 avec une déviation standard de 22,2 lb/po2 (tableau 1).

Test #	(lb/po2)	P (lbs)	(lb/po2)
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		Moyenne =	388.07	5.61
		St. dév	22.20	0,32

Le tableau 1. Résultats de l’essai de traction de split.

La résistance à la traction de la charge de compression maximale atteinte pendant l’essai de traction de faisceau est donnée par la formule suivante :
f_t = P_maxL / (bd²)
où d est la profondeur (pouces), b est la largeur, L est la longueur (pouces), et P_max est la force de compression maximale (lb) atteint au cours de l’essai de traction. Cette formule est valable pour le cas où les charges sont appliquées aux points de troisième. Pour ces tests, la moyenne était 522,9 lb/po2 (tableau 2).

Test #	(lb/po2)	P (lbs)	(lb/po2)
1	4780	2675	501,6	7.3
2	4780	2903	544.3	7.9
		Moyenne =	522.9	7.6
		St. dév	30,23	0,44

Le tableau 2. Résultats de l’essai de traction de faisceau.

La courbe contrainte-déformation pour les poutres non armés et en béton armé est indiquée sur la Fig. 1. Le faisceau non-armée probablement suivi le même chemin de charge initialement, mais a échoué dès que la fissuration initiale s’est produite. Le renforcé montre une légère discontinuité lorsque la fissuration initiale s’est produite et une rigidité légèrement plus bas qu’il commence à ramasser la charge à nouveau dans son état fissuré. La charge continue d’augmenter jusqu'à ce que le béton commence à céder, lorsque la courbe commence à aplatir. Cependant, parce que l’acier est très malléable et déformation-durcit, la charge va continuer à augmenter légèrement et défaillance se produira à très grandes déformations lorsque écrase le béton sur le dessus.

Figure 1 : Courbes de comparaison de charge-flèche pour Maçonneries non (bleu) et renforcés (rouges) des poutres en béton à (a) petites charges et (b) grandes charges (courbes pleines).

Le test a démontré la nature fragile des échecs de traction dans le béton et a montré que la résistance à la traction n'est qu’une fraction (1/8 à 1/12) celle de la résistance à la compression. Échecs fragiles de ce type pourraient avoir des conséquences catastrophiques pour la sécurité humaine, et donc toutes les structures en béton doivent être renforcées avec des barres en acier (ou similaires) pour prendre des forces de traction. Une comparaison de la courbe de charge-déformation pour les poutres non armés et armés montrent non seulement que ce dernier possède une plus grande force, mais aussi la capacité de grandes déformations.

La clé pour la sécurité et la performance à long terme des structures en béton est de fournir un renfort en acier dans les zones de fortes contraintes de traction et de cisaillement. En général, la quantité d’acier nécessaire pour atteindre cet objectif est faible, l’ordre de 1 à 1,5 % de la superficie de la section béton. Cette petite quantité signifie que des structures en béton peuvent être économique, sécuritaire et fournir le bon état de fonctionnement. En outre, la capacité de jeter le béton dans n’importe quel désiré forme donne architecte grande marge de manœuvre dans l’élaboration esthétique des structures.