Détermination expérimentale des performances de différents enduits de protection incendie du béton

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1 Détermination expérimentale des performances de différents enduits de protection incendie du béton C. Lanos, C. Baux, Y. Mélinge LGCGM EA 3913 Equipe MT-Rhéo Rennes, France.

2 Comportement de l acier face au feu Conductivité thermique élevée échauffement rapide Perte de caractéristiques mécaniques limite élastique module d Young Temps de stabilité au feu très courts (15 à 30 min) 2

3 Conductivité thermique Résistance mécanique Chaleur spécifique C 450 C

4 Comportement du béton face au feu Conductivité thermique réduite échauffement lent Faible perméabilité à la vapeur Perte de caractéristiques mécaniques limite élastique module d Young Mise en pression d eau libérée par le liant hydraulique éclatement de parement mise à nu des armatures Temps de stabilité au feux moyens (60 min) Tunnel sous la Manche

5 Mise sous pression de la vapeur Résistance mécanique 300 C

6 Conductivité thermique apparente Chaleur spécifique Perméabilité au gaz 200 C 6

7 Variation pondérales 200 C Les hydrates du béton sont modifiés par la température La modification de la microstructure est très importante Pénalisation de l ensemble des paramètres physico-chimiques

8 Béton armé exposé directement au feu Ecaillage, assouplissement et chute des résistances (armature et béton) Paramètres influents: Enrobage Teneur en eau Perméabilité/porosité Gradient thermique, T(t) Critères de performance : Température dans les aciers Température du béton

9 Mise en place d une protection: Objectifs Augmenter la tenue au feu en interposant une couche isolante (ELU) - Satisfaire les critères limites en température, - Réduire ou éradiquer le risque d écaillage. Permettre d envisager la remédiation (ELS) - Réduire la température au sein du béton, - Concentrer un gradient thermique élevé en face exposée, - Augmenter la perméabilité sur la face exposée.

10 Protection formées par un écran inorganique - Matériaux à forte - Matériaux isolants Chaleur latente endothermique masse volumique limitée (déshydratation ou décarbonatation) 200 C hydroxyde de magnésium 400 C hydroxyde de calcium 150 C gypse 80 C composés à base de bore 300 C hydrates d aluminium 900 C carbonate de calcium 600 C silicate de calcium hydratés Sous forme d enduits En panneaux préfabriqués 10 vermiculites Argiles expansée Fibres naturelles Fibres de verre Fibres de roche Silicates de calcium

11 Comparaison du comportement thermique de différents écrans Sollicitation thermique de type ISO 834 Silicates de calcium 500kg/m 3 52mm λ= 0.10W/m C Silicates de calcium 300kg/m 3 2x35mm λ= 0.11W/m C Gypse 1100kg/m 3 46mm λ= 0.36W/m C 11

12 Techniques de pose panneaux Protection fixée sur une dalle BA Coulage en fond de moule 12

13 projection Premix sec Malaxage-mise sous pression Projection par association à un jet d air Protection structure béton Protection dalle béton (mise en place d un renfort) 13

14 Pertinence de la mise en place d une protection: Exemples Eléments horizontaux type dalle Protection : - enduit minéral - liant hydraté - charges minérales allégeantes - dosage en eau adapté selon la technique de mise en œuvre

15 Validation à l échelle de la structure dalle de béton armé : ep = 14 cm protection minérale : 6 mm sollicitation ISO 834 (EN ) + sollicitation mécanique Avant essai Après essai petits désordres locaux stabilité de la protection non compromise durant l essai

16 600 T ( C) dalle alvéolaire 1,50 m x 1,20 m ep = 25 cm Protection minérale : 10 mm sollicitation ISO interface 200 armatures t (min) stabilité de la protection non compromise durant l essai

17 600 T ( C) dalle alvéolaire 6,00 m x 3,00 m ep = 25 cm Protection minérale : 10 mm sollicitation ISO sollicitations mécaniques armatures dans une zone où la protection est tombée armatures dans une zone où la protection est en place Perte de stabilité (protection de la protection tombée à minutes mm t (min)

18 modification de la structure poreuse ce qui affecte : - les transferts de masse et de chaleur - les propriétés mécaniques Eléments de caractérisation d une protection Protection minérale exposée au feu modification de structures cristallines des composés décomposition des hydrates ou des carbonates variations de volume potentiellement très importantes Base xonotlite Avant exposition au feu Après 4 h à 1250 C modifications du transfert thermique en raison des chaleurs latentes associées aux changements de phases

19 Exemples de pathologies (Sollicitation de type HCM) Faïençage et retrait Chute de la protection Fissuration répartie Fissure localisée Fusion après chute de protection Vitrification et fusion

20 Tests de laboratoire four conique ouvert flamme gaz propane température de flamme constante : 850 C Echantillon : dallette de béton préfabriquée (150 mm x 150 mm x 35 mm) protection: épaisseur 10 mm conservation 28 jours en salle 20 C sans régulation HR

21 Métrologie et enregistrement Thermocouples type K et S : face chaude interface protection-béton face froide

22 Campagne expérimentale enduits : 1000 kg/m 3 < masse volumique < 1600 kg/m 3 - ciment portland - sulfate de calcium (anhydrite) - charges de type alumino-silicates (différents grades) d entraîneur d air (acide gras amino alkyl betaïne ou sodium lauryl sulphate) charges allégeantes type vermiculite (différents grades) Constituants - Ciment CEMII/A-LL 42,5 Calcia Ranville - Ciment blanc CEM I 52,5 R Aalborg - Sulfate de calcium : Kerysten - ratio liant/charge = 1/2 - différents ratios ciment/kerysten - dosages en eau et en adjuvant entraîneur d air ajustés masse volumique cible rhéologie

23 Performances mécaniques résistance (MPa) 100 traction Compression C/K croissant 10 Décollement rapide Introduction vermiculite Masse volumique (kg/m3) Rt/Rc élevés Tendance de type exponentielle ρ élevé = décollement précoce au feu

24 Influence de la nature du ciment compatibilité avec entraineur d air 9 Résistance (MPa) Aalborg 5 4 Calcia Ranville masse volumique (kg/m3) Résultats cohérents avec la classe des ciments Sensibilité à l entraineur d air différentes

25 Température interface et face froide à 120 minutes température ( C) interface face froide Masse volumique (kg/m3) Légère tendance à la croissance de T interface avec ρ Pas de relation claire à la formulation

26 Température interface et face froide à 120 minutes délais pour atteindre 180 C (s) 30 60% C - 40% K %C - 20%K masse volumique (kg/m3) - délai pour atteindre 180 C compris entre 15 et 30 minutes - influence de ρ réduite pour 1000 < ρ <1200 kg/m 3 - dosage élevé en Kerysten favorable à ρ constant - Nature du ciment sans influence (en dehors de ρ)

27 Réponse d une protection à formulation optimisée flamme gaz propane température de flamme constante : 1150 C Echantillon : protection: ép 70 mm - Changement de phase «basse température» - Gestion du retrait KK 643 kg/m 3 KF 607 kg/m 3

28 Synthèse et conclusions Effet d une protection : allongement des durées de tenue au feu réduction des température dans le béton Optimisation d une protection : - masses volumiques trop importantes = échec une masse volumique de 1600 kg/m 3 constitue une limite - utilisation de liant présentant des chaleurs liées aux changements de phases importantes favorable au rendement de la protection défavorable à la résistance de la protection défavorable aux variations de volume de la protection - lien formulation / comportement des échantillons vis-à-vis du transfert thermique pas directement identifiable - paramètre le plus informatif = la masse volumique -masses volumiques entre 1100 kg/m 3 et 1600 kg/m 3 préférables - compromis possible en ciblant une composition «légère» ou «lourde»

29 Merci de votre attention

30

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