Béton autocicatrisant à polymère super absorbant

Le béton intelligent

Une structure en béton armé (BA) peut être soumise à différentes charges et expositions durant son cycle de vie, causant divers degrés de dommages internes (Mousavi et al., 2019b). Un manque d’intervention sur des fissures initiales peut compromettre les performances et la sécurité des structures en béton, mais réparer ces fissures est généralement inefficace ou coûteux. La fissuration affecte considérablement les caractéristiques mécaniques des éléments en BA, en particulier le comportement et la résistance de l’adhérence des barres d’armature (Mousavi et al., 2020a). Les chercheurs ont donc étudié une nouvelle génération de mélanges de béton, le « béton intelligent », pour détecter tout dommage interne et minimiser la fissuration afin d’empêcher des défaillances indésirables. Ce mélange de béton intelligent répare progressivement les fissures  au fur et à mesure qu’elles apparaissent. La composition joue un rôle majeur dans cette nouvelle génération de béton (Mousavi et al., 2017; Mousavi et al., 2016) et peut également servir à maîtriser les dommages internes grâce à l’ajout judicieux d’agents de cicatrisation. La composition du béton dépend de quatre paramètres importants : adjuvants, granulats, rapport eau-ciment et poudres (figure 1). Modifier un seul de ces facteurs, tant sur le plan qualitatif que quantitatif, peut avoir une importante incidence sur les caractéristiques mécaniques (Sfikas and Trezos, 2013).

Figure 1: La composition du béton, un paramètre clé de la méthode autocicatrisante

Cicatrisation autogène du béton

Combiner du ciment et de l’eau produit un liant efficace entre les granulats du béton; c’est le « processus d’hydratation » et les particules de ciment sont les « particules hydratées ». Cependant, des particules non hydratées sont toujours présentes dans le mélange, en raison de la quantité limitée d’eau initiale. Ces particules peuvent servir à sceller et à cicatriser d’éventuelles fissures; leur emploi pour réparer les fissures est appelé « autocicatrisation » ou « cicatrisation autogène ». Ce phénomène offre une solution prometteuse pour atténuer les dommages internes. La méthode d’autocicatrisation se base sur deux mécanismes (figure 2) : (1) l’hydratation des particules de ciment non hydratées, et (2) la dissolution et la carbonatation subséquente de l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) lequel se transforme en dépôt de carbonate de calcium (CaCO3). Toutefois, pour ce qui est de la largeur des fissures, la cicatrisation autogène du béton est limitée sans agents de cicatrisation dans le mélange (Mousavi et al., 2019a). Comme l’eau est nécessaire en tout temps pour la cicatrisation autogène, divers types d’approvisionnement en eau, comme les polymères super absorbants (SAP), ont été utilisés pour accélérer le processus de cicatrisation.

Figure 2: Processus autocicatrisants du béton fissuré

Polymère super absorbant

Les hydrogels, ou polymères super absorbants (SAP) peuvent absorber une grande quantité d’eau du milieu environnant et la retenir dans leur structure sans se dissoudre (figure 3) (Mousavi et al., 2020b). Les particules SAP libèrent progressivement l’eau absorbée, réactivant le processus d’hydratation dans le mélange ou, en d’autres termes, hydratant les particules de liant (ciment) non hydratées. Les particules SAP favorisent l’autocicatrisation en apportant de l’eau aux fissures, leur permettant de se refermer et de regagner des propriétés mécaniques. Comme le montre la figure 4, les résultats préliminaires de cette recherche confirment que le béton SAP réussit très bien à sceller les fissures fines (jusqu’à 0,15mm). Toutefois, différentes périodes de cicatrisation ont été étudiées pour les spécimens, comme le montre la figure 4.

Figure 3: Particules SAP gonflées (diamètre de 0,5 mm) après absorption d’eau (le même poids a servi pour le SAP sec et gonflé, 5 gr)

Figure 4: Spécimens réparés avant et après les périodes de cicatrisation

Méthodologie et plan expérimental

Sceller les fissures consiste à fermer la fissure initiale pour empêcher la pénétration des ions chlorure et autres agents corrosifs, tandis que cicatriser les fissures est restaurer sa résistance après le dommage initial. Pour mesurer la restauration de la résistance (regain de résistance), nous avons étudié ici l’adhérence de l’interface des barres d’armature au moyen d’essais d’arrachement (figure 5).

Figure 5: Configuration des essais d’arrachement

Renforcer l’adhérence et le comportement des barres d’armature revêt une importance majeure dans la performance structurelle des bâtiments et des ponts en BA (Guizani et al., 2017). Afin de simuler les dommages internes, nous avons créé un processus de préfissuration dans le plan expérimental, suivi de périodes de cicatrisation pour sceller et cicatriser les fissures. Ensuite, nous avons mené une étude comparative entre des spécimens de béton intact, fissuré et cicatrisé. Nous avons fait des essais sur différents mélanges de béton et ratios de SAP dans le cadre de cette recherche. Un plan expérimental simplifié de la présente recherche est présenté à la figure 6. Comme pour le scellement des fissures (figure 4), des résultats prometteurs ont été obtenus pour leur cicatrisation après les périodes déterminées. Cette recherche vise à identifier une nouvelle solution autocicatrisante, plus adaptée au béton armé, pour des infrastructures autoréparantes.

Figure 6: Plan expérimental simplifié de la présente recherche

Informations complémentaires

Des détails sur nos résultats sont fournis dans les articles récents suivants :

Mousavi, S., Ouellet-Plamondon, C., and Guizani, L. (2019a). Effect of superabsorbent polymer on mitigating damages at steel bar-concrete interface. In « CSCE Annual Conference », Laval (Greater Montreal).

Mousavi, S. S., Guizani, L., and Ouellet-Plamondon, C. M. (2019b). On bond-slip response and development length of steel bars in pre-cracked concrete. Construction and Building Materials 199, 560-573.

Mousavi, S. S., Ouellet-Plamondon, C. M., Guizani, L., Bhojaraju, C., and Brial, V. (2020b). On mitigating rebar–concrete interface damages due to the pre-cracking phenomena using superabsorbent polymers. Construction and Building Materials 253, 119181.

Partenariats

Les auteurs remercient SNF CANDA et BASF pour les polymères super absorbants fournis dans le cadre de cette étude.