Contribution à l'étude de l'endommagement thermique des bétons de barrage

Abstract

Selon un rapport publié par ICOLD en 1984, 34% des cas de détérioration des barrages sont dus à des problèmes d'origine thermique, soit à cause de la réaction d'hydratation, soit à cause de conditions climatiques sévères. Dans la présente étude nous avons essayé d'abord de mettre en évidence en laboratoire l'effet de ces deux paramètres sur un béton de masse. Ensuite, nous avons validé des modèles numériques simulant ces effets en se basant sur les résultats expérimentaux et nous avons proposé une loi d'endommagement par fatigue thermique, en vue de pouvoir modéliser plus tard l'évolution de la dégradation du béton. Pour obtenir ces résultats, nous avons conçu un montage expérimental qui simule en laboratoire le béton du parement aval d'un barrage-poids soumis à des cycles thermiques. Un bloc de béton de 920 mm de diamètre sur 1000 mm de longueur a été instrumenté avec des thermocouples et des cordes vibrantes, d'une part pour pouvoir suivre l'évolution de la température et de la déformation durant le mûrissement et, d'autre part, lorsque le bloc était soumis à des variations de température sur une de ses faces. L'endommagement de ce béton a été mesuré par deux techniques : une méthode d'observation au microscope et une méthode utilisant des ultrasons. Un appareil de fatigue thermique adapté à des échantillons cylindriques de 150 sur 150 mm a été réalisé afin de voir l'effet de la variation cyclique de la température extérieure sur le béton. L'endommagement du béton dans ce cas a été évalué en suivant la variation du module élastique. Les résultats expérimentaux ont montré toute l'importance d'utiliser du ciment de type 20M à faible chaleur d'hydratation lors de la fabrication du béton de masse. Nous avons pu montrer aussi qu'une variation de la température extérieure entre 7 et 27° C à une fréquence de 2,4 heures n'engendre aucun dommage dans le béton même après 600 cycles. Par contre, lors d'essais cycliques menés avec l'appareil de fatigue thermique sur cylindre de 150 x 150 mm qui fait varier la température de la face aval du béton entre -20 et +20° C à une fréquence de 30 minutes, simulant ainsi les cycles annuels de température enregistrée sur les faces avals des barrages situés dans le nord du Québec, on a vu les échantillons de béton de masse se fissurer rapidement. La mesure de l'endommagement sur ces échantillons nous a permis de proposer une loi d'endommagement par fatigue thermique sous forme d'un polynôme du troisième degré. La partie numérique de cette thèse a été essentiellement réalisée à l'aide du logiciel d'éléments finis CESAR.LCPC, développé au Laboratoire central des ponts et chaussées en France. Ainsi avec le module TEXO, qui permet de calculer le champ de température qui se développe dans le béton par suite de l'hydratation du ciment en tenant compte de la non-linéarité du dégagement de la chaleur due à cette réaction, nous avons pu retrouver les résultats expérimentaux concernant l'évolution de la température dans le béton de masse au jeune âge. La déformation thermique du béton de masse à cet âge a été simulée en se basant sur le calcul du retrait endogène. L'effet de la variation de la température extérieure sur le comportement thermique et mécanique du béton de masse a été parfaitement simulé respectivement par un modèle transitoire linéaire (DTLI) et un modèle élastique linéaire (LINE). Ces modèles, une fois validés par l'expérience, ont été appliqués à des barrages-poids réels : le barrage-poids sud du complexe LG1 à la Baie James en vue d'une étude du comportement thermique du béton au jeune âge, et le barrage-poids Outarde 3, pour déceler l'effet de la température extérieure sur le comportement thermique et mécanique du barrage. Les principaux résultats découlant de cette étude sont : La température maximale atteinte lors de la pose d'une levée varie dans le même sens que la température du béton lors de la mise en place et la hauteur de la levée. Plus le temps qui sépare deux levées susjacentes est long, plus la dissipation de la chaleur de la levée déjà mise en place est grande. Les deux premiers résultats n'ont certes rien d'extraordinaire sur le plan qualitatif, par contre, grâce au modèle mathématique développé il a été possible de chiffrer de façon précise les valeurs des températures maximales atteintes ainsi que les dates auxquelles ces températures sont atteintes. Ainsi si l'on se fixe une température maximale à ne pas dépasser au sein du barrage en cours de construction, on pourra réguler l'épaisseur et la fréquence de la pose des levées en fonction de la température du béton au moment de sa pose. La profondeur maximale de la pénétration du gel dans le barrage Outarde 3 atteint 6 mètres au début du mois de mai, et la contrainte principale maximale de traction atteint 5,5 MPa à la mi-janvier, et elle est localisée au pied du barrage. La conductivité thermique, la chaleur massique et la radiation solaire ont un grand effet sur le comportement thermique du barrage; par contre, leur influence est négligeable sur le comportement mécanique du barrage.