Effet combiné de la vitesse de déchargement et de la teneur en eau sur le mortier soumis à un chargement cyclique différentiel

Pourquoi l'eau et la contrainte comptent pour le béton de tous les jours

Des barrages et digues aux ponts et tunnels, une grande partie de nos infrastructures essentielles est constituée de béton ou de mortier qui se mouille, sèche et subit en permanence des variations de charge. Quand le niveau des réservoirs monte et descend ou que la circulation et les vagues sont cycliques, le béton de ces ouvrages est sans cesse comprimé puis relâché. Cette étude examine une question simple mais importante : comment la variation de la teneur en eau et les cycles de chargement–déchargement à vitesses différentes affectent‑ils conjointement la résistance et la durabilité à long terme du mortier, ce mélange ciment‑sable qui lie le béton ?

Le béton face aux sollicitations réelles

La plupart des essais en laboratoire compressent et relâchent le béton à une vitesse identique à chaque cycle, ce qui facilite l’analyse des données mais ne reflète pas la réalité. Dans de vrais barrages, par exemple, le niveau d’eau augmente souvent lentement et chute rapidement, de sorte que le matériau est chargé et déchargé à des vitesses différentes. Les auteurs qualifient cela de « chargement cyclique différentiel à niveaux multiples » : l’effort maximal de chaque cycle augmente par paliers, et la vitesse de chargement diffère de la vitesse de déchargement. Parallèlement, le béton peut être sec, partiellement humide ou totalement saturé d’eau. Pour reproduire ces conditions, l’équipe a fabriqué des prismes de mortier, contrôlé soigneusement leur teneur en humidité à trois niveaux (0,00 %, 6,99 % et 13,98 % en masse), puis les a soumis à des cycles de chargement répétés dans une machine d’essai tout en suivant leurs déformations et leur rupture.

Concevoir des essais systématiques avec humidité contrôlée

Pour reproduire des états d’humidité réalistes, les chercheurs ont d’abord séché complètement certains échantillons puis les ont immergés dans l’eau, en mesurant l’augmentation de masse au fil du temps. Cela leur a permis d’identifier un état demi‑saturé autour de 6,99 % d’eau et un état totalement saturé à 13,98 %. Des essais de compression monocycle distincts ont confirmé que les échantillons plus humides étaient plus faibles et plus déformables que les secs. Avec cette référence, ils ont réalisé 45 essais cycliques au total, combinant les trois niveaux d’humidité avec cinq vitesses de déchargement différentes, de l’ultra‑lent à l’ultra‑rapide, tout en maintenant la vitesse de chargement fixe. Dans chaque essai, la charge maximale augmentait d’un montant fixe à chaque cycle jusqu’à la rupture de l’éprouvette, et la machine enregistrait en continu contrainte et déformation.

Comment l’humidité et la vitesse de déchargement modifient le comportement

Sous ces cycles par paliers, les courbes contrainte–déformation du mortier traçaient des boucles montrant la déformation non récupérée entre les cycles. Pour les échantillons plus humides et les déchargements plus rapides, ces boucles devenaient plus denses et se décalaient vers la droite, ce qui signifie que le matériau accumulait davantage de déformation permanente tout en cédant à des niveaux de contrainte plus faibles. Les auteurs ont suivi l’accumulation de déformation cycle après cycle et ont trouvé une relation claire, presque linéaire, entre la déformation cumulée et le nombre de cycles. Cette loi linéaire simple se vérifiait pour différentes teneurs en eau et chemins de chargement, suggérant qu’elle pourrait servir à prédire quand une structure en mortier similaire approche de la rupture. Ils ont également distingué la raideur en un module de chargement (rigidité pendant la compression) et un module de déchargement (pendant le relâchement). Le cyclage répétitif tendait d’abord à compacter les microfissures et les pores, augmentant temporairement la rigidité, mais une teneur en eau plus élevée réduisait systématiquement les deux modules et rendait le matériau plus sensible au mode d’application des charges.

Énergie, endommagement et seuils cachés

Étant donné que la fissuration et la déformation plastique consomment de l’énergie, l’équipe a analysé l’énergie mécanique apportée aux échantillons, l’énergie récupérée et l’énergie irréversiblement dissipée sous forme d’endommagement. Ils montrent que le mortier humide nécessitait beaucoup moins d’énergie totale pour rompre : les éprouvettes totalement saturées demandaient seulement environ un dixième de l’énergie absorbée par les échantillons secs. Le ratio énergie dissipée / énergie fournie variait de manière irrégulière pour des déchargements très lents mais se stabilisait une fois que la vitesse de déchargement dépassait environ 2,0 kN/s. De même, en comparant les états sec, demi‑humide et totalement humide, ils ont découvert un seuil marqué autour de la teneur intermédiaire (6,99 %), où les tendances des composantes énergétiques en fonction de la vitesse de déchargement s’inversaient. Un indicateur d’endommagement dérivé de l’énergie dissipée cumulée augmentait de façon exponentielle avec le nombre de cycles, et des niveaux d’humidité plus élevés accroissaient à la fois l’endommagement global et estompaient les différences entre les vitesses de déchargement.

Ce que cela signifie pour les barrages et autres ouvrages

En termes accessibles, l’étude montre que l’eau rend le mortier non seulement plus mou et plus faible, mais aussi plus sujet à une fatigue cachée lorsque les charges montent et descendent à des vitesses inégales. Il existe des combinaisons critiques — un niveau d’humidité moyen autour de la demi‑saturation et une vitesse de déchargement d’environ 2,0 kN/s — où le comportement en rigidité et en énergie du matériau change de nature. Pour les ingénieurs, repérer ces seuils est essentiel pour évaluer comment les barrages, digues et autres structures exposées à l’eau vieilliront dans des conditions opérationnelles réalistes. Les résultats suggèrent que la sécurité à long terme ne peut pas se jauger sur la seule résistance ; l’historique d’humidification et de dessiccation et les détails de l’application et du retrait des charges sont tout aussi importants pour prédire quand l’endommagement atteindra des niveaux dangereux.

Citation: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

Mots-clés: durabilité du béton, chargement cyclique, saturation en eau, sûreté des barrages, fatigue des matériaux