Centre d'Études et de Recherches de l'Industrie du Béton
Guide de bonnes pratiques des essais de compression sur éprouvettes
46.E Qualité
GBD/HB/MA/JRO QU 012 / Qualité
ISSN 0249-6224 ISBN 2-85755-173-8
Guide de bonnes pratiques des essais de compression sur éprouvettes
Réf. 46.E février 2006
par Guislaine BAVELARD Hervé BEINISH
Avant-propos Ce rapport est articulé en deux parties :
−
la première partie est destinée au lecteur qui souhaite apprécier très rapidement si l'étude évoquée le concerne, et donc si les méthodes proposées ou si les résultats indiqués sont directement utilisables pour son entreprise ;
−
la deuxième partie de ce document est plus technique ; on y trouvera donc tout ce qui intéresse directement les techniciens de notre industrie.
© CERIB – 28 Épernon 46.E – février 2006 - ISSN 0249-6224 - ISBN 2-85755-173-8 Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » et, d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal.
SOMMAIRE
Résumé..................................................................................................................
5
1. Synthèse de l’étude........................................................................................
7
1.1 Domaine concerné ...............................................................................................
7
1.2 Problématique ......................................................................................................
7
1.3 Apport de l’étude..................................................................................................
7
1.4 Intérêts et conséquences ....................................................................................
7
2. Dossier de recherche.....................................................................................
9
2.1 Échantillonnage....................................................................................................
9
2.2 Influence de la dimension des éprouvettes.......................................................
9
2.3 Choix du moule .................................................................................................... 11 2.4 Serrage à refus du béton ..................................................................................... 12 2.5 Finition de l’éprouvette........................................................................................ 12 2.6 Conservation initiale en moule ........................................................................... 12 2.7 Démoulage ............................................................................................................ 13 2.8 Transport............................................................................................................... 14 2.9 Conservation des éprouvettes après démoulage ............................................. 14 2.10 Détermination de la masse des éprouvettes ................................................... 14 2.11 Préparation des faces d’appui des éprouvettes.............................................. 15 2.12 Vitesse de montée en charge sur la machine d’essais .................................. 17 2.13 Rigidité de la machine ....................................................................................... 17 2.14 Centrage de l’éprouvette ................................................................................... 18 2.15 Dureté et planéité des plateaux ........................................................................ 18 2.16 Rotule .................................................................................................................. 19 2.17 Exactitude machine d’essais ............................................................................ 21 2.18 Influence de l’opérateur..................................................................................... 22
2.19 Inspection visuelle de la rupture de l’éprouvette ............................................ 22 2.20 Interprétation et élimination des résultats aberrants...................................... 23 2.21 Bibliographie ...................................................................................................... 24 Annexe 1 Guide de diagnostic des résultats d’essais de compression sur éprouvettes en béton .............................................................................. 25
Résumé Pour répondre aux besoins des laboratoires, le rapport est articulé en deux parties : - une première partie décrit les bonnes pratiques à observer pour la réalisation d’un essai de compression sur éprouvettes : de la confection de celles-ci jusqu’à la réalisation de l’essai de compression lui-même ; - la deuxième partie est un guide d’autodiagnostic qui déroule les différentes questions à se poser dans le cas de la mise en doute de la validité d’un essai.
Summary
To meet laboratories needs, this report is structured in two parts : - the firt part describes good practices to follow for a compressive test on concrete cylinders : from casting to the test itself ; - the second part is a guide for diagnosis, which puts forward questions to ask oneself when there are doubts about the validity of test results.
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1. Synthèse de l’étude 1.1 Domaine concerné
Le présent document dresse un inventaire des paramètres d’influence des résultats d’essais de compression sur éprouvettes en béton.
1.2 Problématique
Les essais sur éprouvettes pratiqués couramment pour quantifier la qualité du béton sont parfois dispersés, voire non concordants avec ceux obtenus par un autre laboratoire. Ceci peut amener une décision de non conformité des performances des produits alors qu’en fait, c’est un déroulement anormal des modalités d’essais qui conduit à un résultat d’essai dégradé. De fait, si le processus d’essais est mal maîtrisé, le laboratoire peut rencontrer des difficultés à démontrer la conformité du béton testé. Les sources d’erreur sont souvent multiples, liées, par exemple, aux conditions de préparation et de conservation des éprouvettes, au mode opératoire et/ou à la machine d’essais.
1.3 Apport de l’étude
Cette étude établit un état le plus exhaustif possible des causes d’anomalies rencontrées lors des essais sur éprouvettes en béton et quantifie leurs conséquences sur le résultat d’essai. Elle répond à deux objectifs :
1.4 Intérêts et conséquences
-
dans un but préventif, elle attire l’attention sur les points clés susceptibles de fausser les résultats d’essais ;
-
dans un but curatif, elle propose une check-list permettant d’investiguer le déroulement des essais en cas d’anomalie de résultat, voire de litige et de cibler la cause des écarts.
L’essai de compression sur les éprouvettes en béton est le principal outil pour caractériser la qualité des produits en béton ou du matériau de base et conclure à la conformité ou non à un référentiel. Une meilleure connaissance de l’incidence des différents paramètres influençant les résultats doit aider les laboratoires à réaliser l’essai suivant les règles de l’art et, le cas échéant, à déterminer la cause des anomalies constatées. Ce document peut servir de support clients/fournisseurs lors de l’obtention concordants entre laboratoires.
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en de
cas de litige résultats non
2. Dossier de recherche 2.1 Échantillonnage
Des précautions sont à prendre lors du prélèvement du béton pour la confection des éprouvettes. La quantité de béton frais prélevé doit être supérieure à 1,5 fois la quantité nécessaire pour la réalisation des éprouvettes (fiche n° 399 du mémento qualité - 2004). Pour que les résultats d’essais soient représentatifs d’une qualité de béton, il convient de veiller à ce que les éprouvettes soient confectionnées à partir d’une même gâchée de béton. Cette précaution a pour but d’obtenir des éprouvettes homogènes. En outre, il est indispensable de réhomogénéiser l’échantillon de béton destiné à la confection des éprouvettes. Si le béton est déversé directement dans les moules, il en résultera, pour certaines éprouvettes, une consistance hétérogène du béton qui remet en cause la validité des essais ultérieurs (sous-estimation des résistances jusqu’à 60 % [7]). Cette opération d’homogénéisation est essentielle dans le cas des BAP. La présence de granulats de gros diamètre sur les plans de rupture des éprouvettes permet de suspecter une homogénéisation insuffisante du béton.
2.2 Influence de la dimension des éprouvettes
Corrélations entre éprouvettes moulées
(cf. fiche n° 366 du mémento qualité - 2004) [2]. Lors d’une comparaison entre les résultats d’essais sur éprouvettes, il convient bien entendu de vérifier la nature des éprouvettes testées par les laboratoires : cylindres, cubes, moulées ou carottées… Différentes dimensions des éprouvettes sont décrites dans les normes de référence. Les coefficients ci-dessous permettent d’établir une correspondance entre les résultats obtenus d’un type d’éprouvette vers un autre pour des essais à 28 jours. Ils sont issus de l’amendement national à la norme NF EN 206-1 et sont repris dans la norme NF EN 13369 - Règles communes pour les produits préfabriqués en béton. Ils sont également repris dans les normes EN 1168 - Produits préfabriqués en béton - Dalles alvéolées et EN 13225 - Produits Préfabriqués en béton - Éléments de structure linéaires. Dimensions des éprouvettes (mm) Cube 100 x 100 Cylindre ∅ 113 x 226 Cylindre ∅ 150 x 300
Résistance à la compression fc correspondant à un cylindre de diamètre ∅ 160 mm fc,cyl (∅ 160) = 0,90 x Rcube (100) fc,cyl (∅ 160) = 0,98 x Rcyl (∅ 113) h si 50 MPa ≤ R cyl (∅ 113) fc,cyl (∅ 160) = R cyl (∅ 113) - 1 h si R cyl (∅ 113) < 50 MPa fc,cyl (∅ 160) = R cyl (∅ 150)
Tableau 1 - Équivalence des résistances obtenues sur cubes de 100 et cylindre ∅ 113 mm et ∅ 150 mm
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Dimension des éprouvettes (mm) Cube 100 x 100
Résistance à la compression correspondant à un cube fc,cub (150) = 0,97 x Rcube (100) h si 50 MPa ≤ R cube (100) fc,cub (150) = R cube (100) - 1,5 h si R cube (100) < 50 MPa
Tableau 2 - Équivalence des résistances obtenues sur cubes de 100 et cubes de 150 mm R : résistance de l’éprouvette testée Selon le règlement technique des structures et ossatures CSTBat (1997)
Rapport résistance cylindre/cube
Cubes (mm)
à la détension
à 28 jours
100 x 100
0,83
0,90
141 x 141
0,87
0,92
150 x 150
0,875
0,925
158 x 158
0,88
0,93
200 x 200
0,90
0,95
Tableau 3 - Équivalence des résistances obtenues sur cylindres Ø 160 x 320 mm et sur différentes dimensions de cubes
Corrélations entre éprouvettes carottées et éprouvettes de référence
Le tableau ci-après donne la relation entre les différentes dimensions d’éprouvettes carottées par rapport aux dimensions d’éprouvettes de référence ∅ 150 x 300 mm (cylindre) et 150 x 150 mm (cube). Carotte d'élancement 1
Diamètre de la carotte (d)
Résistance équivalente sur cube 150 x 150 mm
100 mm ≤ d ≤ 150 mm
fc,cub = f c,carotte
50 mm < d < 100 mm
f c,cub = [(0,002 x d) + 0,8] x fc,carotte
50 mm
fc,cub = 0,90 x f c,carotte
d < 50 mm éprouvette ne pouvant être utilisée
-
Diamètre de la carotte (d)
Résistance équivalente sur cylindre ∅ 150 x 300 mm
100 mm ≤ d ≤ 150 mm
fc,cylindre = f c,carotte
< 50 mm éprouvette ne pouvant être utilisée
-
(h = d ± 10 mm)
Carotte d'élancement 2
(h = 2d ± 10 mm)
Tableau 4 - Équivalence des résistances obtenues sur carottes et cube 150 mm Avec : d : diamètre de la carotte (mm) h : hauteur de la carotte (mm) R : résistance de la carotte (mm)
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En fonction des dimensions des éprouvettes utilisées, il convient de choisir une machine d’essais possédant des échelles de mesure adaptées aux résistances à mesurer. Le tableau ci-dessous présente quelques repères sur les charges de rupture en fonction des dimensions des éprouvettes. Résistance en compression
50 MPa
100 MPa
150 MPa
Estimation charge à la rupture (kN)
Dimension éprouvettes
50 MPa
100 MPa
150 MPa
Capacité machine d'essai recommandée (kN)
Ø 150 x 300 mm
880
1 760
2 650
> 1 500
2 600
4 000
Ø 113 x 226 mm
400
785
1 180
> 1 000
1 200
1 750
Tableau 5 - Capacité de machine d’essai recommandée en fonction de la contrainte à la rupture
Le choix de la dimension des éprouvettes conditionne simultanément le diamètre des réhausses, afin de maintenir le même mode de rupture.
Figure 1 - Essais sur éprouvettes
2.3 Choix du moule
Le matériau du moule utilisé influe en terme de rigidité, d’absorption d’eau et de capacité de dilatation. Un moule rigide se déforme moins durant le durcissement et offre un meilleur support. Selon NF EN 12390-1, les moules de référence sont les moules en acier. Les moules les plus communément employés sont les moules en carton (non réutilisables). Quel que soit le matériau utilisé, les moules peuvent souffrir de défauts de circularité. Par exemple, il est rencontré une forme ovale au sommet des moules en plastique ou carton. Cette - 11 -
anomalie conduit à une diminution de la résistance mécanique jusqu’à 10 %. Un contrôle a posteriori peut être réalisé en vérifiant les dimensions des éprouvettes. En dehors des défauts de forme, il convient de veiller à la propreté des moules utilisés.
2.4 Serrage à refus du béton
Le serrage à refus est obtenu à l’aide d’une action mécanique (aiguille vibrante, table vibrante, tige ou barre de piquage). La durée du serrage est la durée maximale nécessaire pour faire remonter les bulles d’air à la surface du béton jusqu’à l’obtention d’un aspect lisse et luisant, sans ségrégation apparente. La qualité du serrage a une influence prédominante sur la qualité des éprouvettes obtenues. Le suivi de la masse volumique est, dans ce cas, un indicateur intéressant.
2.5 Finition de l’éprouvette
Bien que les éprouvettes cylindriques soient appelées à être surfacées avant l’essai de compression, l’état de surface brut de l’éprouvette ne doit pas être négligé. L’arasement s’effectue à l’aide d’une truelle ou d’une taloche. Une surface grossière initiale peut être à la source de problèmes de surfaçage avec, par exemple, présence des bulles d’air sous l’épaisseur de soufre, induisant une résistance mécanique résultante plus faible (- 12 % [7]). Même en l’absence de poches d’air, les défauts d’interface entre le béton et le matériau de surfaçage peuvent provoquer une répartition hétérogène des forces appliquées au cours de l’essai et minorer la résistance vraie. La présence d’une surface convexe ou concave sur l’éprouvette est à la source, même avec un surfaçage adéquat, d’une perte de résistance d’environ 10 % (jusqu’à 12 % pour une forme concave). Des études ont également été menées sur des éprouvettes dont la perpendicularité des faces à la génératrice de l’éprouvette n’est pas bien respectée (extrémités inclinées dans le cas d’un stockage initial dans une position non verticale). Il a alors été constaté une perte de résistance de 5 %, avec des difficultés de surfaçage et une épaisseur de surfaçage variable sur certaines portions de l’éprouvette.
2.6 Conservation initiale en moule
Les conditions de conservation des éprouvettes sont différentes selon que l’on souhaite faire le parallèle entre le résultat d’essai sur éprouvette et les caractéristiques d’un produit préfabriqué, ou réaliser un essai dans des conditions de référence pour le béton. Pour les produits préfabriqués, l’éprouvette est volontairement conservée dans les conditions proches de celles du produit préfabriqué, de manière à être représentative de la qualité réelle des produits. Par exemple, lorsque les produits sont étuvés, les éprouvettes sont placées contre les produits soumis à l’étuvage afin de reproduire des conditions similaires de température.
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Température
Le gel peut avoir une influence significative sur les résultats d’essais (perte de résistance) et doit être absolument évité. Par temps chaud, il est conseillé d’humidifier l’enveloppe de protection afin de maintenir les températures plus basses. En effet, une température de conservation supérieure aux conditions normalisées risque d’augmenter la résistance au jeune âge et, au contraire, de baisser la résistance pour les résistances à 28 jours ou plus.
Humidité
Une humidité insuffisante durant la conservation initiale peut diminuer les résistances à l’écrasement. Objet
Conditions de conservation de l'éprouvette
Cause possible d'écart sur les résultats
Humidité < humidité normalisée
Incidence sur la résistance
 - 8 % à 1 jour
Taux de chute de la résistance « vraie »
- 11 % à 3 jours - 18 % à 7 jours
Recommandations
Couvrir les éprouvettes Les amener en laboratoire sous 24 h
Tableau 6 - Résultats d’une étude (Bloem 1969) sur l’incidence de l’humidité, en se plaçant dans des conditions de température adéquates
2.7 Démoulage
L’essai conventionnel suivant la norme NF EN 12390-2 prévoit une conservation de l’éprouvette pendant 16 heures minimum et 3 jours maximum à une température de 20 °C +/- 5 °C. Le démoulage des éprouvettes doit être effectué avec soin pour ne pas épaufrer les arêtes. Pour faciliter le démoulage, il est d’usage d’appliquer un léger film d’huile sur le moule. Il est à signaler qu’un huilage trop important conduit à une régularité d’aspect des extrémités de l’éprouvette et à des résistances à l’écrasement minorées.
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2.8 Transport
Il est recommandé de ne pas déplacer les éprouvettes de béton frais durant les 18 premières heures après leur confection. Pour les éprouvettes en béton durci, les chocs et vibrations sont également pénalisants et créent un risque de diminution des résistances (écarts jusqu’à 7 %). Il est donc important de prévoir une mise en place adéquate pour le transport et des conditions de manutention soignées avant les essais.
2.9 Conservation des éprouvettes après démoulage Cas général pour les produits préfabriqués
Comme indiqué en 2.7, les éprouvettes sont conservées dans des conditions les plus proches possibles des conditions de conservation du produit préfabriqué concerné de façon à être représentative de la production.
Cas des éprouvettes conservées dans des conditions de référence
Dès leur arrivée au laboratoire, les éprouvettes doivent être placées dans les conditions de référence. Les conditions de conservations normalisées suivant la norme NF EN 12390-2 sont : - soit dans l’eau à température de 20 °C ± 2 °C ; - soit dans une chambre humide à 20 °C ± 2 °C et d’humidité relative au moins égale à 95 %. Les éprouvettes devant être surfacées peuvent être extraites de l’ambiance humide au plus 24 h avant l’essai, sous réserve d’être placées dans un milieu dont la température est comprise entre 15 °C et 30 °C. Une éprouvette que l’on a laissé sécher peut conduire à un résultat de résistance à la compression plus élevé pour les bétons peu compacts et au contraire plus faible pour les bétons compacts.
2.10 Détermination de la masse des éprouvettes
La détermination de la masse des éprouvettes est un indicateur utile dans l’analyse des résultats d’essais de compression. En effet, si les résultats des pesées sont très dispersés, on peut en déduire une masse volumique différente du béton testé qui se traduira par une dispersion des résultats lors des essais de compression. Après démoulage, il semble que les effets des variations de température durant la conservation des éprouvettes soient moins significatifs que ceux liés aux conditions d’humidité.
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2.11 Préparation des faces d’appui des éprouvettes Tolérances de planéité et de perpendicularité des éprouvettes
Les éprouvettes cylindriques sont surfacées, afin d’obtenir deux faces régulières sur lesquelles sera appliquée une force axiale perpendiculaire et homogène. Les surfaces des extrémités doivent être perpendiculaires à l’axe de l’éprouvette et être approximativement parallèles entre elles. Forme
Caractéristiques
Cylindre (d : diamètre réel)
Cube (d : valeur du côté)
Tolérances
Planéité des faces recevant la charge
± 0,0006 d
Perpendicularité du côté par rapport aux extrémités
± 0,5 mm
Rectitude de la génératrice
± 0,2 mm
Planéité des faces
± 0,0006 d
Perpendicularité des faces du cube
± 0,5 mm
Parallélisme entre face supérieure arasée et face inférieure moulée
± 1,0 %
Tableau 7 - Tolérances de planéité et de perpendicularité des éprouvettes
Choix des faces à préparer
■ Cas des éprouvettes cylindriques moulées Les deux faces d’appui des éprouvettes doivent faire l’objet d’une préparation de surface (face arasée et face fond de moule). Avant surfaçage, il convient de repérer la face d’arasement, afin que l’essai d’écrasement soit réalisé dans le même sens que la confection des éprouvettes. ■ Cas des éprouvettes carottées Dans le cas où ces éprouvettes ne respectent pas les tolérances de planéité et de perpendicularité indiquées ci-dessus (fiche n° 203 mémento qualité - 2004 [3]), une préparation de surface est effectuée sur les faces d’appui. ■ Cas des éprouvettes cubiques moulées L’éprouvette étant testée sur les faces en contact avec le moule, ces surfaces ne nécessitent a priori pas de préparation, à condition que les moules utilisés respectent les tolérances indiquées cidessus. Il faut bien vérifier la planéïté des faces d’essais du cube et leur perpendicularité (défauts courants).
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Les conditions d’emploi des différentes méthodes de préparation Méthode
Limite basée sur la résistance attendue
Rectification
Sans limite
Surfaçage au mortier de ciment alumineux
Jusqu’à 50 MPa (N/mm2)
Surfaçage au mortier de soufre
Jusqu’à 50 MPa (N/mm2)
Boîte à sable
Sans limite
Tableau 8 - Condition d’emploi des méthodes de préparation
Les précautions particulières en fonction du mode de préparation
■ Surfaçage au soufre Des variations dans les résultats risquent d’être induites si on ne laisse pas un temps de repos suffisant aux éprouvettes après le surfaçage (30 minutes minimum). Des résultats d’étude ont fait apparaître des diminutions de résistance jusqu’à 2 % lorsque le temps de repos après surfaçage est de 15 minutes [7]. Le surfaçage ne doit pas être trop épais (en général < 4 mm). Nota : un excès d’huile sur la coupelle du bâti de surfaçage peut induire des défauts d’adhérence entre le soufre et l’éprouvette.
■ Surfaçage par rectification Une rectification soignée permet d’augmenter la force de rupture des éprouvettes. Pour les bétons à hautes performances, la rectification peut s’avérer nécessaire, lorsque la résistance du mortier de surfaçage est insuffisante. Dans ce cas, veiller à utiliser une meule de grande dimension, afin de ne pas procéder à la rectification par « portion » de surface. Caractéristiques
Influence sur la résistance
Extrémités non perpendiculaires à l’axe de l’éprouvette
Â
-8%
Extrémités non parallèles
Â
-4%
Surfaçage irrégulier (éclats)
Â
-4%
Épaisseur importante du surfaçage
Â
-6%
Tableau 9 - Incidence des défauts de surfaçage sur la résistance à la compression des éprouvettes
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2.12 Vitesse de montée en charge sur la machine d’essais
La régularité de montée en charge est considérée comme satisfaite si elle respecte une tolérance de ± 10 % par rapport à la valeur visée.
Formes
Cylindres
Cubes Cube ou cylindre
Dimensions
Vitesses de montée en charge
Ø 160 x 320 mm
de 4 à 20 kN/s
Ø 150 x 300 mm
de 3,5 à 17,7 kN/s
Ø 113 x 226 mm
de 2 à 10 kN/s
Ø 100 x 200 mm
de 1,6 à 7,9 kN/s
150 x 150 mm
de 4,5 à 22,5 kN/s
100 x 100 mm
de 2 à 10 kN/s
Autre forme 2 (surface S mm )
de 0,2 10-3 S à 10-3 S (kN/s)
Tableau 10 - Vitesses de montée en charge préconisées en fonction des dimensions des éprouvettes [2]
Les résultats de résistance lors des essais de compression tendent à être majorés si la vitesse de montée en charge est supérieure à la vitesse spécifiée. Des essais réalisés en faisant varier la vitesse de montée en charge entre 0,05 MPa/s et 0,5 MPa/s ont donné des variations sur la résistance à la compression de + 2 % pour des cubes 100 x 100 mm [7]. Pour des cylindres, les variations relevées étaient de l’ordre de + 1 %. L’utilisation d’un cadencemètre est recommandée afin d’obtenir une vitesse de montée en charge plus régulière.
2.13 Rigidité de la machine
Une machine est jugée suffisamment rigide lorsque sa déformation élastique est du même ordre de grandeur ou plus faible que celle de l’éprouvette testée. Avec une machine insuffisamment rigide, la rupture de l’éprouvette est plus violente. En outre, dans ce cas, l’opérateur risque d’être influencé et de réduire la vitesse de montée en charge lorsqu’il s’approche de la rupture : il obtient alors des résultats sous-estimés.
- 17 -
2.14 Centrage de l’éprouvette
D’après certaines expérimentations sur des bétons courants (30 MPa) [6], il n’est pas constaté de différences significatives sur les résistances à la compression dans le cas où les éprouvettes sont parfaitement centrées et où il est créé un déport volontaire de 4 à 6 mm de la force appliquée. Par contre, un déport de l’ordre de 12,5 mm crée des variations importantes dans les résultats d’essais. Pour des bétons de 115 MPa, ce paramètre est plus critique et un déport de l’ordre de 6 mm devient significatif. Excentrement mm
Résultats à la compression en MPa Béton 30 MPa
type de rupture*
Béton 115 MPa
type de rupture*
0
29
conique
115
conique
4
30
conique
115
conique
6
29
conique
108
diagonale
12,5
27
diagonale
95
fissuré
* Une rupture conforme est toujours conique
Tableau 11 - Résultats d'essais de compression en fonction de l'excentrement de la force (moyenne pour 5 éprouvettes de 28 jours)
2.15 Dureté et planéité des plateaux
La dureté et la planéité des plateaux en acier utilisés pour les essais de compression peuvent également altérer les résultats d’essais. Par exemple, si le plateau tend à se déformer sous charge (forme concave), les forces appliquées tendent à augmenter au centre de l’éprouvette et à modifier les résultats d’essais. Ce défaut apparaît le plus souvent lorsque les plateaux sont d’une épaisseur insuffisante ou lors de l’utilisation de plateaux de dimensions inférieures à celles de l’éprouvette.
Figure 2 - Exemples de défauts de planéité des plateaux
Pour cette raison, les normes de référence préconisent des épaisseurs et duretés minimales pour les plateaux des machines d’essais de compression des matériaux durs : épaisseur minimale des plateaux auxiliaires de 23 mm et dureté minimale 550 HV (norme NF EN 12390-4). Il est conseillé de nettoyer les plateaux après chaque rupture. En outre, bien qu’il soit d’usage d’utiliser un film d’huile pour faciliter le démoulage durant le surfaçage, il convient de veiller à ce que les extrémités des éprouvettes ne soient pas trop huilées. - 18 -
Nota : des plateaux trop graissés conduisent à une diminution des résistances mécaniques de l’ordre de 2 %.
Une vérification régulière de la planéité des plateaux permet de s’assurer de leur bon état (voir ci-dessous exemple avec la règle à filament).
0 mm
Figure 3 - Vérification de la planéité des plateaux (tolérance : ± 0,03 mm) pour la zone en contact avec l’éprouvette.
En cas de défaut, il est donc conseillé de rectifier les plateaux afin de les remettre en conformité.
2.16 Rotule
Le rayon et l’état d’entretien de la rotule jouent également un rôle important dans la qualité des essais de compression. Rayon rotule
Incidence lors de l'essai
Faible rayon
Frottements insuffisants lors de la mise en charge
Rayon important
Pour éprouvette de petites dimensions, difficulté d'obtenir un bon centrage lors de sa mise en place
Tableau 12 - Incidence du rayon de la rotule
D’autres problèmes de conception entraînent un désalignement de la partie mâle et femelle et un défaut de positionnement lors de la mise en charge. En général, l’incidence de ces défauts se fait surtout sentir pour des faibles charges.
Mobilité de la rotule (alignement sur la surface supérieure de la machine)
Afin de maintenir une mobilité et un fonctionnement adéquats de la rotule, il convient de réaliser régulièrement son entretien. Ce dernier permettra de débarrasser l’interstice entre la rotule et son support des poussières et éclats d’éprouvettes (voir fiche n° 395 mémento qualité - 2004 [9]). Le comportement de la rotule dépend également du type de lubrifiant utilisé, de la surface de contact de la rotule, de la finition de cette surface et de la géométrie générale du plateau. Il est déconseillé d’utiliser de la graisse pour haute pression (certaines normes autorisent l’utilisation d’huile de moteur).
- 19 -
La norme NF EN 12390-4 prévoit une vérification de l’autoalignement de la rotule. Cette évaluation permet de s’assurer que même avec un défaut d’inclinaison initial de la rotule, celle-ci se repositionne bien sur le sommet de l’éprouvette lors du contact.
Figure 4 - Exemple de rotule pour essais sur éprouvettes (système à ressorts)
Blocage de la rotule lors de la montée en charge
En principe, la rotule de la machine doit se bloquer suffisamment lors de la montée en charge pour que la sollicitation de l’éprouvette soit homogène (bonne répartition des efforts). Durant la mise en charge, les efforts de frottement doivent être supérieurs au couple et au moment de torsion existants dans l’éprouvette. La norme NF EN 12390-4 prévoit une vérification spécifique des limites du mouvement du plateau supérieur à cet effet : le corps d’épreuve du dynamomètre étalon est volontairement déporté de 6 mm et il est relevé les écarts entre les relevés de mesure sur chacun des ponts de jauge séparés du capteur étalon (si les forces de friction et la rigidité de la rotule sont suffisantes, les variations des taux de déformation entre différentes positions sont très faibles).
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Figure 5 - Vérification de la variation du taux de déformation par mm de déplacement suivant chaque axe de la machine (capteur déporté de 6 mm par rapport au centre du plateau) Tolérance : (∆τ/24) < ± 0,06 par mm de déplacement Vue de dessus de machine d’essais A : face avant de la machine d’essais C : face arrière de la machine d’essais
2.17 Exactitude machine d’essais
La vérification des machines d’essais a pour but de s’assurer que la justesse de l’indicateur de force de la machine est dans une tolérance spécifiée par la classe d’exactitude visée. Pour les machines d’essais des éprouvettes, il est généralement demandé une classe 3 (ou 2) soit une tolérance de justesse de ± 3 % (± 2 %). En général, si les erreurs obtenues sont supérieures à cette tolérance lors de la vérification, il est procédé à un réglage afin de ramener ce critère dans les spécifications souhaitées. Néanmoins, un déréglage ou un dysfonctionnement sur la machine d’essais peut conduire à l’apparition d’erreurs de justesse importantes sur les mesures entre deux vérifications périodiques (écart entre la valeur lue par rapport à la valeur de référence pouvant atteindre 10 % ou plus). Le déréglage peut survenir suite à la perte des paramètres de réglage qui conditionnent la pente sur l’indicateur de mesure : par exemple : problème sur un composant électronique, problème de parasitage, etc. En principe, les paramètres sont enregistrés lors de la vérification métrologique et il convient, en cas de doute, de s’assurer de la constance du réglage. Pour les manomètres à aiguilles, un repère de cadran tournant indique les conditions d’utilisations préconisées pour la machine d’essais. Il est donc facile de vérifier que la position du repère n’a pas été modifiée accidentellement. Les écarts mesurés peuvent également être dus à la sensibilité des équipements aux conditions de température (température ambiante ou température du groupe de la machine d’essais dans le cas d’un usage intensif).
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2.18 Influence de l’opérateur
L’opérateur intervient dans les résultats obtenus par le soin qu’il apporte : - dans le nettoyage du poste d’essai (retirer les débris des essais précédents) et le positionnement de l’éprouvette sur la machine (centrage) ; - dans le protocole de mise en charge (voir 2.10) ; - dans l’enregistrement de la force. En outre, un afficheur clairement lisible (taille du manomètre à aiguille ou de l’affichage numérique) améliore l’exactitude des lectures.
2.19 Inspection visuelle de la rupture de l’éprouvette
La forme de la rupture de l’éprouvette donne une information sur le déroulement de l’essai. Ainsi, la norme NF EN 12390-3 prévoit une évaluation du type de rupture obtenue. Des illustrations de ruptures incorrectes sont présentées figure 7 à titre d’exemple. Par exemple, pour les éprouvettes cylindriques, la rupture du produit de surfaçage des extrémités avant celle du béton est une rupture incorrecte. L’obtention d’une rupture incorrecte peut être l’indice d’un mauvais positionnement de l’éprouvette sur la machine (problème de centrage), une application incorrecte de l’effort (fonctionnement de la rotule), ou une autre anomalie dans l’application du mode opératoire de l’essai.
Figure 6 - Ruptures correctes d’éprouvettes cylindriques Nota : pour les ruptures correctes, les quatre faces exposées sont fissurées approximativement de la même façon, en général sans dommage important des faces en contact avec les plateaux.
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Figure 7 - Exemple de ruptures incorrectes d’éprouvettes cylindriques
2.20 Interprétation et élimination des résultats aberrants
Des tests statistiques peuvent être mis en œuvre pour repérer les valeurs aberrantes et les retirer. L’application de ces tests est décrite dans les fiches n° 46, n° 47 et n° 359 – mémento qualité 2004. Nota : Le guide d’application des méthodes d’essais des bétons (FD P 18-457) prend en compte l’expérience acquise pour la réalisation des essais, en s’appuyant sur les règles de l’art afin de faciliter l’application des nouvelles normes européennes d’essais sur le béton frais et durci en vue de réduire, autant que faire se peut, les risques de dispersion dans les résultats.
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2.21 Bibliographie [1]
BEINISH H., POUDEVIGNE S. Confection et conservation des éprouvettes en béton. CERIB Mémento qualité, fiche n° 365 - octobre 2001.
[2]
BEINISH H., POUDEVIGNE S. Éprouvettes en béton. Résistance à la compression. CERIB Mémento qualité, fiche n° 366 - 0ctobre 2001.
[3]
BEINISH H., POUDEVIGNE S. Vérification des dimensions des moules et éprouvettes CERIB Mémento qualité, fiche n° 203 - avril 2004.
[4]
CARINO N.J., GUTHRIE W.F., LAGERGREN E.S., MULLINGS G.M. Effects of testing variables on the strength of high-strength (90 MPa) concrete cylinders. ACI International Conference Singapore - 1994. CERIB M 94-11 - 1994.
[5]
COLE D.G., B SC, A INST P The relationship between the apparent variation in compressive strength of concrete cubes and the inaccuracies found in the calibration of compression testing machines. Proc. Symp. CPCA - 1964.
[6]
LESARD M., CHAALLAL O., AÏTCIN P.C. Testing high-strength concrete compressive strength. ACI Materials Journal - 1993.
[7]
RICHARDSON DAVID N. Review of variables that influence measured concrete compressive strength. Journal of materials in civil engineering - mai 1991.
[8]
RLPC Guide pour l’estimation des incertitudes : incertitude des essais sur le matériau béton.
[9]
SCHIAVI R. Réglage et entretien des rotules standard des machines d’essais de compression des blocs et éprouvettes en béton. CERIB Mémento qualité, fiche n° 395 - avril 2004.
[10] SIGVALDASON O.T. Imperial college of science and technology. Symp. Concrete Quality - 1964. [11] Béton – Guide d’application des méthodes Fascicule de documentation AFNOR FD P 18-457 – juin 2005.
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Annexe 1 Guide de diagnostic des résultats d’essais de compression sur éprouvettes en béton Fiche d’identification de l’essai Description des éprouvettes Nature des éprouvettes :
Dimension :
Date de fabrication : Moulées/carottées
Date de démoulage :
Cylindre 150 x 300
Date de transport :
Cylindre 160 x 320
Date des essais :
Cylindre 100 x 200 Cube 100 x 100 Cube 150 x 150
Date d’intervention :
Type de moule utilisé :
Lieu :
Technique de serrage à refus :
Conditions de mesure
Technique de préparation :
Surfaçage/rectification
Machine d’essais
Chargé de l’essai :
Marque :
Lieu des essais :
Type : N° : Dernière vérification le : Commande : manuelle/automatique Capacité :
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kN
Logigrammes sur la recherche des causes Résultats d’essais mis en doute
Remise en cause de la qualité des éprouvettes
Oui
Vérification de la dispersion sur la masse des éprouvettes
Les résultats entre plusieurs éprouvettes pour une même série d’essais semblent dispersés (écart Oui entre valeur max et valeur min supérieur à kN)
1
Non
Remise en cause de la qualité des éprouvettes
A Non
Y a-t’il bien eu homogénéisation du béton avant préparation des éprouvettes (à partir du béton prélevé) ? À valider par vérification visuelle de la répartition des gros granulats
2
Oui Anomalie de l’effort appliqué ou remise en cause qualité de l’éprouvette
A Oui
Forme de la rupture des éprouvettes en diagonale avec fissurations
3
Non Remise en cause de la qualité des éprouvettes
A Oui
Écarts constatés sur les dimensions des éprouvettes par rapport aux normes de référence ? Défauts d’aspect, cavités...
4
Non
Remise en cause de la qualité des éprouvettes
Oui
Confirmation par la masse volumique d'un problème de serrage du béton ?
C Oui
Méthode de serrage à refus remis en cause ? (pb vibration du béton, écart par rapport aux conditions normalisées ?
5
Non
Éprouvettes défectueuses après transport
Humidité insuffisante, gel… peuvent expliquer des écarts de l'ordre de 10 à 20 %
C Oui
Transport des éprouvettes (délai court après fabrication < 16 h ; risques de chocs lors du transport ? ; constat d’une chute lors de la manutention ?
Essais conventionnels : problème de conservation par rapport aux conditions normalisées 20 °C +/- 5° C; humidité ? Oui (éprouvettes en position horizontale pour séchage, gel, températures de conservation élevées, B
6
7
Non
Anomalie due à l'état de surface de l'éprouvette
B
Préparation des faces d'appui : face arasée et face Non fond de moule pour les éprouvettes cylindriques ?
8
Oui
A
Forte incidence
B
Incidence moyenne
C
Faible incidence
Pour résistance attendue > 50 MPa, le surfaçage au mortier de ciment alumineux ou au mortier de soufre est inapproprié
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B Non
Choix méthode de préparation des éprouvettes : si résistance attendue supérieure à 50 MPa, préparation par rectification ou boîte à sable ?
9
Résultats d’essais mis en doute (après examen des points 1 à 9 précédents)
Peut expliquer une dispersion des résultats (les efforts ne sont pas réguliers et pas appliqués avec la même vitesse)
B
Suivi de la vitesse de montée en charge absence de suivi de la montée en charge ? Au mieux avec pompage manuel
Non
10
Non Voir la charge d'essais par rapport à la capacité de la machine (rigidité bâti insuffisant ?)
A Choc avec rupture violente de l’éprouvette
11
Non Si pb blocage de la rotule : risque d'un essai pénalisant avec rupture défectueuse de l'éprouvette)
Si pb excentrement de 6 mm : pas d'incidence importante si l'éprouvette est bien centrée avant l'essai
C
Rotule jugée défectueuse ou mal réglée lors de la vérification périodique (essais avec inclinaison rotule, ou essais avec déport de 6 mm)
Oui
12
Non Écarts de justesse importants dans le cas d'une perte de mémorisation de la pente
Exactitude de la machine d'essais : effacement paramètres de réglage de l'indicateur de force ? Panne ?
B Oui
13
Non
Incidence surtout pour les bétons BHP
Risque d'usure prématurée, mauvaise répartition des efforts
C
Constatation d'un défaut de planéité des plateaux > 0,05 mm
14
Dureté des plateaux ou blocs de réglage inférieurs à la recommandation de la norme
15
Oui
C Oui
Recherche autres paramètres
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