Influence des paramètres de formulation sur le comportement à haute température des bétons

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1 THESE de DOCTORAT Présentée pour l obtention du diplôme de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE CERGY-PONTOISE Spécialité : Génie Civil Par Mulumba KANEMA TSHIMANGA Sujet de la thèse : Influence des paramètres de formulation sur le comportement à haute température des bétons Soutenue le 6 décembre 2007 Devant le jury composé de : Rapporteur M. Karim AIT MOKHTAR Professeur à l Université de La Rochelle Examinateur M. Benoît BARY Ingénieur de recherche au CEA Co-directeur M. Richard CABRILLAC Professeur à l Université de Cergy-Pontoise Rapporteur M. Horacio COLINA (HDR) Directeur délégué au Dével. Technique, ATILH Co-directeur M. Jean-Louis GALLIAS Professeur à l Université de Cergy-Pontoise Examinateur M. Christian LABORDERIE Professeur à l Université de Pau et Pays de l Adour Co-Directeur M. Albert NOUMOWE Professeur à l Université de Cergy-Pontoise Examinateur M. Pierre PIMIENTA CSTB, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

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3 Table des matières I. Introduction II. Les Bétons soumis à haute température II.1. La constitution de la pâte de ciment II.1.1. Morphologie des C-S-H...23 II.1.2. Structuration des C-S-H II.2. Eau dans la microstructure II.2.1. Eau libre dans les capillaires II.2.2. Eau adsorbée II Eau adsorbée physiquement II Eau adsorbée chimiquement II.2.3. Eau de constitution II.3. La microstructure de l interface pâte-granulats II.4. Évolution des phases du béton en fonction de la température II.4.1. Les transformations dans la pâte de ciment II.4.2. Décomposition des granulats II.5. Phénomène d éclatement et d écaillage II.5.1. Mécanisme du phénomène II.5.2. Perte de masse du béton au cours du cycle de chauffage - refroidissement II.5.3. Pression de vapeur d eau au cours du chauffage II.5.4. Les moyens de prévention...40 II.6. Propriétés mécaniques du béton en fonction de la température II.6.1. Résistance en compression...41 II.6.2. Résistance en traction II.6.3. Module d élasticité II.7. Transfert de fluide dans un milieu poreux II.7.1. Ecoulement du fluide à travers le milieu poreux II Viscosité II Loi de Darcy II.7.2. Ecoulement dans un tube capillaire II.7.3. Mouvement de la phase gazeuse en milieu poreux II Écoulement visqueux II Écoulement moléculaire II Ecoulement par glissement II Ecoulement de diffusion de surface II.7.4. Mesures de la Perméabilité II Fluide incompressible II Fluide compressible...52 II Détermination de la perméabilité apparente des milieux poreux II Détermination de la perméabilité intrinsèque lors de l écoulement laminaire d un gaz II Détermination de la perméabilité intrinsèque lors de l écoulement turbulent II Le nombre de Reynolds II.7.5. Évolution de la perméabilité des bétons en fonction de la température (initiale et résiduelle). 59 II.8. Conclusion de la partie bibliographique III. Méthodologie expérimentale III.1. Les matériaux III.1.1. Caractérisation III.1.2. Courbes granulométriques...64 III.1.3. Les compositions III.2. Confection

4 Table des matières III.2.1. Gâchage du béton III.2.2. Les corps d épreuve III.2.3. Disposition et classification au moment du coulage III.2.4. Cure appliquée aux bétons III.3. Convention d écriture III.4. Essai de chauffage...70 III.4.1. Dispositif de chauffage III.4.2. La méthodologie III.4.3. Disposition dans le four III.5. Propriétés mécaniques III.5.1. Mesure de la résistance en compression III.5.2. Mesure de la résistance en traction III.5.3. Mesure du module d élasticité III.6. Perte de masse III.6.1. Le dispositif de mesure III.6.2. Déroulement des mesures...78 III.6.3. Mode opératoire III Mesure de la perte de masse au cours du chauffage III Mesure de la perte de masse à la fin du chauffage III Perte de masse après étuvage à 80 C III Fiabilité des résultats III.7. La différence de température III.7.1. Principe de l essai III.7.2. Positionnement des thermocouples III.8. Perméabilité III.8.1. Dispositif expérimental III.8.2. Conditionnement et traitement thermiques des éprouvettes III.8.3. Mesure de la perméabilité IV. Caractérisation du comportement du béton IV.1. Etude de la perte de masse IV.1.1. Influence du gradient thermique IV Effet de la taille des éprouvettes IV Influence de la vitesse de chauffage IV.1.2. Influence de la température maximale du cycle thermique IV.1.3. Influence du rapport E/C du béton IV.1.4. Influence de l âge IV.1.5. Influence de la dimension des granulats IV.1.6. Influence des sollicitations thermiques répétées sur la perte de masse IV.1.7. Conclusion IV.2. Etude des gradients thermiques IV.2.1. Evolution de la différence de température IV.2.2. Rôle de l eau libre IV Influence du rapport E/C IV Influence des sollicitations thermiques répétées IV Perte de poids et différence de température IV Influence de l âge IV.2.3. Comportement des mortiers IV.2.4. Comportement des pâtes IV.2.5. Influence de la vitesse de chauffage et du palier de température IV.2.6. Conclusion IV.3. Etude de la perméabilité au gaz IV.3.1. Influence du rapport E/C IV.3.2. Influence des granulats IV.3.3. Evolution du coefficient b*

5 IV.3.4. Influence de l âge IV.3.5. Influence de la vitesse de chauffage et de la durée du palier de température IV.3.6. Conclusion IV.4. Caractérisation mécanique des bétons IV.4.1. Essai de compression IV Influence du rapport E/C IV Influence de la vitesse de chauffage IV Influence du palier IV Influence de l âge IV Perméabilité résistance en compression IV Conclusion IV.4.2. Résistance à la traction IV Influence du rapport E/C IV Influence de la vitesse de chauffage IV Influence du palier IV Influence de l âge IV Conclusion IV.4.3. Essai de module d élasticité IV Influence du rapport E/C IV Influence de vitesse IV Influence du palier IV Influence de l âge sur le module d élasticité IV Module d élasticité résistance en traction IV Conclusion IV.5. Comportement du béton face au phénomène d éclatement IV.5.1. Températures, dimensions et vitesse critiques IV.5.2. Vérification de l homogénéité du traitement thermique IV Température de surface IV Position des éprouvettes éclatées IV.5.3. Les masses volumiques IV.5.4. Rôle des thermocouples IV.5.5. Les gradients de température IV Comparaison du gradient thermique des éprouvettes Ø110x220 mm et Ø160x320 mm IV Comparaison des éprouvettes éclatées et non éclatées IV Influence de la composition du béton IV.5.6. Les conditions d éclatement IV.5.7. Influence de l âge IV.5.8. Évolution de la perte de masse IV.5.9. Localisation du phénomène d instabilité IV Conclusion V. Description et Résultats par le modèle V.1. Introduction V.2. Description des phases et choix du modèle V.2.1. Masses volumiques apparentes V.2.2. Pression partielle et lois de gaz parfaits V.2.3. Lois de conservation de la masse V Conservation de la masse d eau liquide V Conservation de la masse d eau vapeur V Conservation de la masse d eau totale V.2.4. Équation des flux hydriques V.2.5. Loi de Clapeyron V.2.6. Courbes de désorption V.2.7. Synthèse des paramètres V.2.8. Évolution de la capacité calorifique V.2.9. Évolution de la conductivité thermique V Évolution de la perméabilité V Perméabilité intrinsèque du milieu

6 Table des matières V Perméabilités relatives au gaz et au liquide V.3. Application de la thermodynamique V.3.1. Conservation de l énergie V.3.2. Pression de vapeur saturante V.3.3. Équation de la chaleur V.3.4. Cinétique de déshydratation V.3.5. Porosité totale V.3.6. Masse volumique de l eau liquide V.3.7. Viscosités dynamiques de l eau vapeur V.3.8. Chaleur latente de vaporisation V.3.9. Chaleur latente de déshydratation V.4. Comparaison des résultats expérimentaux et numériques V.4.1. Le maillage V.4.2. Evolution de la différence de température V.4.3. Pression de vapeur V.4.4. L humidité relative V.4.5. Les pertes de masse V.4.6. Estimation de la contrainte V.4.7. Conclusion VI. Conclusions générales et perspectives

7 Les figures Figure II-1 : Répartition des différentes formes d'eau dans la structure de la pâte de ciment [Fedm, 1968] Figure II-2: Evolution de la zone de transition dans un BHP (e/c=0,23 et s/c=0,15) pendant l hydratation [Vive, 1997] Figure II-3 : Courbes d analyse thermo gravimétrique thermique et d analyse thermique différentielle d une pâte de ciment à différentes températures [Alon, 2004] Figure II-4 : Evolution des composantes du ciment sous l échauffement [Cast, 2004] Figure II-5 Thermogrammes de BHP [Died, 1989] Figure II-6 : Répartition des réactions de déshydratation du gel de C-S-H, de deshydroxylation de la Portlandite et de décarbonatation du carbonate de calcium dans la perte de masse issues des analyses thermiques différentielles d une pâte de ciment traitée thermiquement [Alar, 2005] Figure II-7 : Mécanisme d'écaillage du béton [Zeim, 2006] Figure II-8 : Perte de masse des éprouvettes de béton étuvées à 105 C [Gawe, 2004] Figure II-9 : Perte de masse des bétons chauffés à la vitesse de 1 C/min [Gawe, 2004] Figure II-10 : Perte de masse des éprouvettes Ø104x30 mm et Ø104x60 mm étuvées à 105 C [Gawe, 2004] Figure II-11: Evolution de la résistance en compression relative des bétons avec la température [Phan, 2003] Figure II-12: Evolution de la résistance à la traction à chaud d'un béton à hautes performances [Gawe, 2004] Figure II-13: Evolution de la résistance résiduelle à la traction des pâtes de ciment avec la température [Minl, 2004] Figure II-14: Répartition du profil de vitesses d un gaz dans un capillaire sous l effet d un gradient de pression Figure II-15: Schéma représentant la percolation du gaz à travers un échantillon de béton (Ø 150 x 50 mm) Figure II-16: Perméabilité mesurée sur un béton [DalP, 2004a] Figure II-17: Evolution de la perméabilité apparente d'un mortier traitement thermique avec la pression de confinement [Lion, 2005(a)] Figure II-18 : Evolution des perméabilités apparente et intrinsèque d'un mortier avec la température [Lion, 2005(a)] Figure II-19 : Evolution de la perméabilité intrinsèque expérimentale et numérique des bétons Figure III-1: Courbes granulométriques du sable, gravillon, gravier Figure III-2: Conservation des éprouvettes immergées dans des bacs Figure III-3: Schéma récapitulatif de la dénomination des éprouvettes Figure III-4: Dispositif de chauffage Figure III-5 : Cycle de chauffage refroidissement de référence (R600) imposé aux différents types de matériaux Figure III-6: Disposition des éprouvettes dans le four (vue du dessus) Figure III-7 : Schématisation de l'essai de traction Figure III-8 : Schéma présentant l'instrumentation permettant l'acquisition du module d'élasticité Figure III-9: Etuvage des éprouvettes Ø150 x 50mm du béton B450 à 80 C Figure III-10: Positionnement des thermocouples dans le moule Ø 110 x 220 mm Figure III-11: Position des thermocouples dans une éprouvette Figure III-12: Dispositif expérimental de mesure de la perméabilité au gaz

8 Les figures Figure III-13 : Principe de fonctionnement d une cellule du perméamètre Figure IV-1: Perte de masse du béton B325 après un cycle de chauffage dont la vitesse de montée est de 1 C/min et le palier fixé à 450 C (Ø 160 x 320 et Ø 110 x 220 mm) Figure IV-2 : Perte de masse du béton B500 après des cycles de chauffage dont la vitesse de montée est de 1 C/min et le palier fixé à 450 et 600 C (Ø 160 x 320 et Ø 110 x 220 mm) Figure IV-3 : Perte de masse du bétons B325 après deux cycles de chauffage à 450 C dont les vitesses sont fixées à 0,1 C/min et 1 C/min (Ø 110 x 220 mm) Figure IV-4 : Perte de masse des bétons B325 et B500 après un cycle de chauffage dont la vitesse de montée est de 0,1 C/min et le palier fixé à 450 C (Ø 110 x 220 mm) Figure IV-5 : Variation de la perte de masse du béton B450 suivant différents cycles de chauffage (Ø110x220mm) Figure IV-6: Variation de la perte de masse du béton B325 suivant différents cycles de chauffage (Ø160x320mm) Figure IV-7 : Perte de masse des différentes compositions de béton chauffé suivant le cycle de chauffage dont la rampe de montée en température est de 1 C/min et le palier fixé à 600 C Figure IV-8: Perte de masse des mortiers M325 et M500 chauffés à 450 C Figure IV-9: Dérivée de la courbe de perte de masse en fonction de la température (Ø110x220 mm) Figure IV-10 : Dérivée des courbes de perte de masse des éprouvettes Ø110x220 mm et Ø160x320 mm en fonction de la température Figure IV-11: Variation de la perte de masse du béton B325 en fonction de la température (cycle à 300 C) Figure IV-12 : Variation de la perte de masse du béton B325 en fonction de la température (cycle à 450 C) Figure IV-13 : Variation de la perte de masse du béton B500 en fonction de la température (cycle à 300 C) Figure IV-14 : Variation de la perte de masse du béton B500 en fonction de la température (cycle à 450 C) Figure IV-15 : Perte de masse en fonction de la température pour la formulation M325 chauffée à 300 et 450 C Figure IV-16 Perte de masse en fonction de la température pour la formulation M500 chauffée à 300 et 450 C Figure IV-17 : Perte de masse des mortiers M325 et M500 chauffés à 300 C Figure IV-18 : Perte de masse du mortier M325 et du béton B325 chauffés à 300 C en fonction de la température Figure IV-19 : Perte de masse du mortier M500 et du béton B500 chauffés à 450 C en fonction de la température Figure IV-20: Perte de masse d'une éprouvette de béton B325 chauffée suivant un premier cycle à 300 C et un second cycle à 600 C à une vitesse de 1 C/min (Ø 110 x 220 mm) Figure IV-21: Différences de température mesurées entre le centre e, le mi-rayon par rapport à celle de la surface d'une éprouvette B325 (Ø 110x220 mm) âgé de 90 jours au cours d un cycle de chauffage dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et le palier fixé à 450 C Figure IV-22: Différences de température mesurées entre le centre et le mi-rayon par rapport à celle de la surface d'une éprouvette M500 (Ø 160x220 mm) âgé de 28 jours au cours d un cycle de chauffage dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et le palier fixé à 450 C

9 Figure IV-23 : Variation de la différence de température entre le centre et la surface des éprouvettes du béton B400 en fonction de la température en surface pour différents cycles de chauffage (Ø 160 x320 mm) Figure IV-24 : Variation de la différence de température entre le centre et la surface des éprouvettes du béton B450 en fonction de la température en surface pour différents cycles de chauffage (Ø 110 x220 mm) Figure IV-25 Variation de la différence de température entre le centre et la surface des éprouvettes des différentes formulations de béton en fonction de la température en surface pour un cycle de chauffage à 450 C (Ø 110x220mm) Figure IV-26 : Variation de la différence de température entre le centre et la surface des éprouvettes des mortier M325 et M500 en fonction de la température en surface pour un cycle de chauffage à 450 C (Ø160 x 320 mm) Figure IV-27 : Différence de température du béton B500 entre le centre et la surface de l éprouvette chauffée suivant deux cycles de chauffage de 300 C en fonction de la température en surface (Ø160 x 320cm) Figure IV-28 : Différence de température du béton B325 entre le centre et la surface de l éprouvette chauffée suivant un cycle à 300 C et un second cycle à 600 C en fonction de la température en surface(ø110 x 220cm) Figure IV-29 : Différence de température en fonction de la perte de masse du béton B350 (Ø110 x 220 mm) Figure IV-30 : Différence de température en fonction de la perte de masse du béton B450 (Ø110 x 220 mm) Figure IV-31 : Différence de température en fonction de la température en surface du béton B325 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours (Ø 160 x 320 mm) Figure IV-32 : Différence de température en fonction de la température en surface du béton B500 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours (Ø 160 x 320 mm) Figure IV-33 : Différence de température en fonction de la température en surface des éprouvettes Ø 110 x 220 mm et Ø 110 x 320 mm pour la formulation M Figure IV-34 : Différence de température en fonction de la température en surface des éprouvettes Ø 110 x 220 mm et Ø 160 x 320 mm pour la formulation M Figure IV-35 : Différence de température entre la surface et le centre des éprouvettes en fonction de la température, pour un mortier M325 et un béton B325, sur des éprouvettes de dimensions Ø 160 x 320 mm Figure IV-36 : Différence de température entre la surface et le centre des éprouvettes en fonction de la température, pour un mortier M500 et un béton B500, sur des éprouvettes de dimensions Ø 160 x 320 mm Figure IV-37 : Différence de température entre le centre et la surface des éprouvettes en fonction de la température en surface des pâtes de ciment chauffées suivant un cycle à 600 C (Ø 110 x 220 mm) Figure IV-38: Différence de température du B325 après un cycle à 300 C et 450 C (Ø160 x 320 mm) Figure IV-39: Différence de température du B325 et B500 après un cycle à 300 C (Ø160 x 320 mm) Figure IV-40: Différence de température du béton B325 soumis aux cycles de chauffage de 300 C et 450 C dont la durée du palier dure 12 heures Figure IV-41: Différence de température du béton B325 soumis au cycle de référence à 450 C et cycle de chauffage dont le palier dure 12 heures Figure IV-42 : Perméabilité intrinsèque résiduelle des bétons en fonction de la température Figure IV-43 : Perméabilité d'un béton et d'un mortier dosés à 325 kg de ciment en fonction de la température

10 Les figures Figure IV-44 : Perméabilité d'un béton et d'un mortier dosés à 500 kg de ciment en fonction de la température Figure IV-45 Perméabilité des mortiers M325 et M500 en fonction de la température Figure IV-46: Evolution de la perméabilité du B325 à différents âges en fonction de la température Figure IV-47: Evolution de la perméabilité du B500 à différents âges en fonction de la température Figure IV-48: Perméabilité intrinsèque résiduelle des bétons B325 et B500 sollicités suivant un cycle dont la vitesse de montée est fixée à 0,1 C/min et un palier qui dure une heure Figure IV-49: Evolution de la perméabilité intrinsèque résiduelle des bétons B325 et B500 soumis à des cycles dont la vitesse de montée est de 1 C/min et le palier de 12 heures119 Figure IV-50 : Perméabilité du béton B325 sollicité suivante trois cycles thermiques différents Figure IV-51 : Perméabilité du béton B500 sollicité suivante trois cycles thermiques différents Figure IV-52 : Résistance résiduelle en compression des cinq formulations de bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée est de 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-53 : Résistance résiduelle relatve en compression des cinq formulations de bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée est de 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-54 : Résistance résiduelle en compression relative du béton B325 chauffé suivant des cycles dont les vitesses de montée sont de 0,1 et 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-55 : Résistance résiduelle en compression relative du béton B500 chauffé suivant des cycles dont les vitesses de montée sont de 0,1 et 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-56 : Résistance résiduelle relative en compression des bétons (B325 et B500) chauffés à une vitesse de 0,1 C/min à différentes températures Figure IV-57 : Résistance résiduelle en compression relative du béton B325 chauffé suivant des cycles dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et les palier fixés à 1 et 12 heures à différentes températures Figure IV-58 : Résistance résiduelle en compression relative du béton B500 chauffé suivant des cycles dont la vitesse de montée est de 1 C/min et les palier fixés à 1 et 12 heures à différentes températures Figure IV-59 : Résistance résiduelle en compression relative des bétons (B325 et B500) chauffés suivant des cycles dont le palier dure 12 heures à différentes températures Figure IV-60: Résistances en compression résiduelles du béton B325 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours à différentes températures Figure IV-61 : Résistances en compression résiduelles relatives du béton B325 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours à différentes températures Figure IV-62: Résistances en compression résiduelles du béton B500 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours à différentes températures Figure IV-63: Résistances en compression résiduelles relatives du béton B500 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours à différentes températures Figure IV-64: Résistance en compression relative en fonction de la perméabilité intrinsèque pour l ensemble des éprouvettes de bétons testés Figure IV-65: Comparaison des valeurs estimées aux résultats expérimentaux du béton B

11 Figure IV-66 : Résistance résiduelle à la traction des bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-67 : Résistance résiduelle à la traction relative des bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-68 : Résistances résiduelles à la traction relative du béton B325 soumis aux cycles dont les vitesses de chauffage sont de 0,1 et 1 C/min à différentes températures Figure IV-69 : Résistances résiduelles à la traction relative du béton B500 soumis aux cycles dont les vitesses de chauffage sont de 0,1 et 1 C/min à différentes températures Figure IV-70: Résistances résiduelles à la traction relatives des bétons B325 et B500 après des cycles thermiques dont la vitesse de montée en température est fixée à 0,1 C/min à différentes températures Figure IV-71 : Résistances à la traction résiduelles relatives du béton B325 soumis aux cycles dont les paliers durent 1 et 12 heures à différentes températures Figure IV-72 : Résistances à la traction résiduelles relatives du béton B500 soumis aux cycles dont les paliers durent 1 et 12 heures à différentes températures Figure IV-73: Résistances à la traction résiduelles relatives des bétons B325 et B500 après des cycles thermiques dont le palier de stabilisation dure 12 heures à différentes températures Figure IV-74 : Résistances résiduelles à la traction du béton B325 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours soumis aux cycles de références à différentes températures Figure IV-75 : Résistances résiduelles à la traction relatives du béton B325 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours soumis aux cycles de références à différentes températures Figure IV-76 : Résistance résiduelle à la traction du béton B500 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours soumis aux cycles de références à différentes températures Figure IV-77 : Résistance résiduelle à la traction relatives du béton B500 âgé de 7, 28, 90 et 365 jours soumis aux cycles de références à différentes températures Figure IV-78 : Module d élasticité résiduel des cinq bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée est 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-79 : Module d élasticité résiduel relatif des cinq bétons chauffés suivant des cycles dont la vitesse de montée est 1 C/min et le palier dure 1 heure à différentes températures Figure IV-80: Module d'élasticité résiduel relatif du béton B325 chauffé à une vitesse de 0,1 et 1 C/min à différentes températures Figure IV-81: Module d'élasticité résiduel relatif du béton B500 chauffé à une vitesse de 0,1 et 1 C/min à différentes températures Figure IV-82: Module d'élasticité résiduel relatif des bétonsb325 et B500 à différentes températures après des cycles thermiques dont la vitesse de montée en température est de 0,1 C/min Figure IV-83: Module d'élasticité résiduel relatif du béton B325 chauffé à une vitesse de 1 C/min et soumis à un palier de température de 1 heure et 12 heures à différentes températures Figure IV-84: Module d'élasticité résiduel relatif du béton B500 chauffé à une vitesse de 1 C/min et soumis à un palier de température de 1 heure et 12 heures à différentes températures Figure IV-85: Module d'élasticité résiduel relatif des bétons B325 et B500 à différentes températures après des cycles thermiques dont le palier de stabilisation en température dure 12 heures

12 Les figures Figure IV-86 : Module d'élasticité résiduel apparent du béton B325 à différentes températures et différents âges (7, 28, 90 et 365j) Figure IV-87 : Module d'élasticité résiduel relatif du béton B325 à différentes températures et différents âges (7, 28, 90 et 365j) Figure IV-88 : Module d'élasticité résiduel apparent du béton B500 à différentes températures et différents âges (7, 28, 90 et 365j) Figure IV-89: Module d'élasticité résiduel relatif du béton B500 à différentes températures et différents âges (7, 28, 90 et 365j) Figure IV-90 : Evolution du module d'élasticité relatif en fonction de la résistance résiduelle relative de traction des bétons Figure IV-91: Béton B450 avant le cycle de chauffage à 600 C Figure IV-92: Béton B450 après le cycle de chauffage à 600 C Figure IV-93: Evolution de la température en surface des compositions B325 et B Figure IV-94: Position des éprouvettes (Ø160 x320 mm) dans le four Figure IV-95: Evolution du gradient de température pour la formulation B325 après un cycle à 450 C Figure IV-96: Evolution du gradient de température pour la formulation B450 après un cycle à 600 C Figure IV-97: Evolution du gradient de température pour la formulation de béton B500 après un cycle à 350 C Figure IV-98: Evolution du gradient de température pour la formulation de béton B500 après un cycle à 600 C Figure IV-99: Evolution du gradient thermique d une éprouvette éclatée et d une éprouvette non éclatée du béton B450 chauffé à 450 C Figure IV-100: Evolution du gradient thermique d une éprouvette éclatée et d une éprouvette non éclatée du béton B500 chauffé à 450 C Figure IV-101 : Evolution du gradient de température des éprouvettes éclatées, pour les compositions B325, B450 et B500 chauffées à 450 C Figure IV-102 : Evolution du gradient de température des éprouvettes éclatées pour les compositions B450 et B500 chauffées à 600 C Figure IV-103: Perte de masse d éprouvettes Ø 160 x 320 mm éclatée et non éclatée de la formulation B Figure IV-104: Evolution de la différence de température des éprouvettes éclatée et non éclatée du béton B500 âgé de 7 jours Figure IV-105 : Photo des éprouvettes du béton B500 âgés de 7 jours éclaté et non éclatée Figure IV-106 : Evolution de la différence de température des éprouvettes éclatée et non éclatée du béton B500 âgé de 28 jours Figure IV-107 : Photo des éprouvettes du béton B500 âgés de 28 jours éclaté et non éclatée Figure V-1: Evolution de la porosité totale en fonction de la quantité d'eau déshydratée Figure V-2: Représentation schématique de l éprouvette modélisée et des conditions aux limites Figure V-3 : Comparaison de la différence de température expérimentale et numérique du béton B Figure V-4: Evolution de la pression de vapeur du béton B400 au cours d'un chauffage à 1 C/min Figure V-5: Evolution de la saturation au cours du chauffa à 1 C/min Figure V-6: Evolution de la perte de masse expérimentale et numérique du béton B

13 Figure V-7 : Evolution de la contrainte thermique au centre de l'éprouvette (chauffage à 1 C/min) Figure V-8: Répartition de la contrainte sur le rayon central de l éprouvette au cours du chauffage à 1 C/min Figure VI-1: Eprouvettes de béton B400 (Ø 160 x 320 mm) après les traitements thermiques à 20, 150, 300, 450 et 600 C Figure VI-2 : Eprouvettes de béton B450 (Ø 160 x 320 mm) après les traitements thermiques à 20, 150, 300, 450 et 600 C Figure VI-3 : Eprouvettes de béton B400 (Ø 110 x 220 mm) après les essais de traction résiduelle par fendage Figure VI-4: Eprouvettes de béton B450 (Ø 110 x 220 mm) après les essais de traction résiduelle par fendage

14 Listes des tableaux Les tableaux Tableau III-1: Composition des bétons pour 1 m Tableau III-2: Compositions des mortiers et des pâtes pour 1 m Tableau III-3: Récapitulatif des essais effectués sur les bétons, les mortiers et les pâtes Tableau III-4 : Les différents cycles de chauffage - refroidissement appliqués aux différents types de matériaux Tableau III-5 : Perte de masse moyenne du béton B325 calculée avec les masses d'éprouvettes pesées lors du gâchage et avant chauffage Tableau IV-1 : Volume poreux accessible des différents bétons après un étuvage à 80 C Tableau IV-2: Perte de masse des éprouvettes de béton après différents cycles de chauffage dont la vitesse de montée est fixée à 1 C/min et le palier dure 1 heure Tableau IV-3: Perte de masse des éprouvettes de béton après deux cycles de chauffage dont la vitesse de montée est fixée à 1 C/min et le palier prolongé à 12 heures Tableau IV-4 : Perte de masse relative des bétons B325 et B500 après des cycles thermiques ayant des vitesses de montée en température de 0,1 et 1 C/min Tableau IV-5 : Quantité d eau perdue en fonction de la température par rapport à l eau de gâchage des éprouvettes Ø 150 x 50 mm Tableau IV-6 : Variation de la perte de masse moyenne des bétons B325 et B500 avec l'âge pour les cycles de chauffage à 300 C et 450 C (éprouvettes Ø 110 x 220 mm et Ø 160 x 320 mm) Tableau IV-7: Perte de masse des éprouvettes de béton B325 et B500 chauffés suivant deux cycles de chauffage dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min (Ø160 x 320 mm) Tableau IV-8 : Perméabilité intrinsèque résiduelle des bétons (B325, B350, B400, B450, B500) chauffés suivantes les cycles dont la vitesse est de 1 C/min et le palier fixé à une heure Tableau IV-9: Perte de masse des éprouvettes de béton Ø150 x 50 mm étuvées à 80 C et chauffées à 150 C Tableau IV-10: Perméabilité intrinsèque résiduelle des mortiers (M325 et M500) Tableau IV-11 : Variation du coefficient b*proposé par Klinkenberg Tableau IV-12 : Perméabilité des bétons B325 et B500 à 7, 28, 90, 365 jours Tableau IV-13 : Perméabilité des bétons (B325 et B500) soumis à un cycle de chauffage dont vitesse de montée est de 0,1 C/min ou le palier fixé à 12 heures Tableau IV-14 : Résistances résiduelles de compression des bétons Tableau IV-15: Résistances résiduelles en compression des bétons chauffés suivant une vitesse de montée en température de 0,1 C/min Tableau IV-16: Résistances résiduelles en compression des bétons chauffés suivant des cycles comportant un palier de 12 heures Tableau IV-17: Résistances résiduelles en compression des bétons B325 et B500 à 7, 28, 90 et 365 jours Tableau IV-18 : Résistances résiduelles de traction par fendage des bétons Tableau IV-19: Résistances résiduelles à la traction des bétons après les cycles thermiques dont la vitesse de montée en température est de 0,1 C/min Tableau IV-20: Résistances en traction résiduelles des bétons (B325 et B500) sollicités suivants des cycles de chauffage dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et le palier dure 12 heures Tableau IV-21: Résistances à la traction résiduelles des bétons B325 et B500 à 7, 28, 90 et 365 jours Tableau IV-22 : Module d élasticité résiduel des bétons

15 Influence des paramètres de formulations sur le comportement à haute température des bétons Tableau IV-23: Module d élasticité résiduel des bétons après des cycles thermiques dont la vitesse de montée en température est de 0,1 C/min Tableau IV-24: Module d élasticité résiduel des bétons après des cycles thermiques dont la vitesse de montée en température est de 1 C/min et un palier qui dure 12 heures Tableau IV-25: Module d'élasticité résiduel des bétons B325 et B500 âges de 7, 28, 90 et 365 jours Tableau IV-26: Nombre d'éprouvettes éclatées Ø110x220 mm des cinq formulations de béton soumises aux différents cycles de chauffage Tableau IV-27 : Nombre d'éprouvettes éclatées Ø160x320 mm des cinq formulations de béton soumises aux différents cycles de chauffage Tableau IV-28 : Nombre des éprouvettes Ø160x320mm éclatées reparties suivant le cycle de chauffage subi Tableau IV-29: Nombre d'éprouvettes éclatées par position dans le four Tableau IV-30: Nombre d'éprouvettes éclatées ayant des masses volumiques supérieures ou inférieures à la valeur moyenne de chaque type de béton mesurée avant chauffage Tableau IV-31: Nombre d éprouvettes éclatées après un cycle de chauffage de référence à 450 C Tableau IV-32: Nombre d éprouvettes éclatées après un cycle de chauffage de référence à 600 C Tableau IV-33: Différence de température, gradient de température, temps et température en surface du béton B325 chauffé à 450 C Tableau IV-34: Différence de température, gradient de température, temps et température en surface du béton B450 chauffé à 450 C Tableau IV-35: Différence de température, gradient de température, temps et température en surface du béton B450 chauffé à 600 C Tableau IV-36: Différence de température, gradient de température, temps et température en surface du béton B500 chauffé à 350 C Tableau IV-37: Différence de température, gradient thermique, temps de chauffage avant éclatement et température en surface du béton B500 chauffé à 600 C Tableau IV-38 : Nombres d'éprouvettes éclatées pour la composition B Tableau VI-1: Résultats d'analyses granulométriques

16 Influence des paramètres de formulations sur le comportement à haute température des bétons Notation Lettres latines a : la 1 er constante déterminée par régression linéaire pour estimer l évolution de la perméabilité b : la 2 nd constante déterminée par régression linéaire pour estimer l évolution de la perméabilité b(t) : la fonction d estimation de la saturation b* : le coefficient de Klinkenberg C i : la capacité thermique de la phase considérée C c : la capacité thermique du ciment C g : la capacité thermique des granulats C ds : la capacité thermique du béton sec C ds : la capacité thermique de la phase solide C bw : la capacité thermique de l eau liée d : le diamètre moyen des pores ou des particules / le paramètre de déshydratation d 0 : la quantité d eau liée à la matrice cimentaire à l état de référence D max : le diamètre maximum des granulats D m : le diamètre des molécules f 1 (T) : la première fonction dépendant de T f 2 (T) : la deuxième fonction dépendant de T f c20 : la résistance à la compression à température ambiante f c (T) : la résistance à la compression résiduelle F : la charge maximale appliquée à l éprouvette cylindrique F i : le flux massique du fluide i par unité de masse, de surface et de temps g l : l enthalpie libre de l eau liquide g v : l enthalpie libre de la vapeur d eau h : l humidité relative H : l enthalpie de vaporisation / niveau piézométrique k : la constante de Boltzmann k a : la perméabilité apparente k d : la pente de la relation conductivité déshydratation k ri la perméabilité relative de la phase considérée. k v : la perméabilité intrinsèque k v60 : la perméabilité intrinsèque de référence obtenue après étuvage jusqu à stabilisation de masse à 60 C k v80 : la perméabilité intrinsèque mesurée sur le matériau après étuvage à 80 C k s : la perméabilité du à l écoulements par glissement du gaz K l : le coefficient de perméabilité du milieu L : la longueur du cylindre / l épaisseur de l échantillon L l v : la chaleur latente de vaporisation L s l : la chaleur latente de déshydratation m ds : la masse de ciment et de granulats par unité de volume m c : la masse de ciment contenue dans le béton m g la masse de granulats contenue dans le béton m l : la masse de l eau liquide m v : la masse de la vapeur d eau m e : la masse d eau totale M : la masse molaire 14

17 Influence des paramètres de formulations sur le comportement à haute température des bétons n : le paramètre correcteur de la formule de Van genucthen P : la charge maximale appliquée à l éprouvette / la pression P m : la pression moyenne P atm : la pression atmosphérique à température ambiante, P vs : la pression de vapeur saturante P c : la pression capillaire P g : la pression des gaz P 1 : la pression du fluide appliquée à l entrée P 2 : la pression mesurée à la sortie de l échantillon P* : la pression motrice q : le flux de chaleur Q : le débit volumique r : la production volumique de chaleur / coordonnée radiale R : la constante des gaz parfaits Re : le nombre de Reynolds r p : le rayon du capillaire S : la surface de la section transversale de l éprouvette / l entropie interne totale s lm : l entropie de l eau liée s ds : l entropie du ciment et des granulats par unité de volume s ds0 : l entropie de la phase solide à la température de référence s s : l entropie du squelette solide s l : l entropie de l eau liquide s v : l entropie de la vapeur d eau S 0 : l entropie définie à l état de référence du système S l : le taux de saturation en eau liquide du réseau poreux S l0 : la saturation liquide initiale du milieu T : la température T 0 : la température de référence u hyd : l énergie interne des hydrates u an : l énergie interne des anhydres u l : l énergie interne de l eau liquide V : le volume total v l : le volume du liquide v g : le volume du gaz v : la vitesse du fluide à travers l échantillon V 1 : le volume du gaz à l entrée de l échantillon V 2 : le volume du gaz à la sortie de l échantillon Vgx : la vitesse du gaz suivant la composante axiale V vx : vitesse locale d écoulement due à la viscosité v s : la vitesse locale d écoulement due au glissement V x : vitesse du fluide suivant la composante axiale z : l attitude par rapport au niveau de référence Lettres grecques : la pente de la droite représentant le logarithme de la perméabilité intrinsèque en fonction de la quantité d eau déshydratée t : la constante équivalente à 1/k v t : le coefficient lié au réseau poreux : différence 15

18 Notations : le taux de décroissance de la résistance à la compression des bétons avec la température Φ : la porosité Φ l : la fraction poreuse occupée par du liquide Φ g : la fraction poreuse occupée par du gaz Ø : le diamètre : la conductivité thermique du matériau / libre parcours moyen 20 et 60 : les conductivités résiduelles du matériau mesurées à 20 et 60 C. ρ i : la masse volumique du fluide l : la masse volumique du liquide g : la masse volume du gaz v : la masse volumique de la vapeur hyd : la masse volumique des hydrates µ i : la viscosité dynamique ou absolue du fluide µ l : la viscosité dynamique de l eau liquide µ v : la viscosité dynamique de la vapeur d eau µ g : la viscosité dynamique du gaz µ l v : la transformation de l eau liquide en vapeur d eau par unité de temps et de volume : la viscosité cinématique yx : l effort tangentiel entre deux couches de fluide 0 : initial a : apparent c : compression l : liquide g : gaz t : traction v : vapeur, visqueux x : projection suivant l axe de x Indices 16

19 Influence des paramètres de formulations sur le comportement à haute température des bétons Résumé Aujourd hui le béton est le matériau le plus utilisé dans le domaine de la construction pour les avantages économiques et la facilité de mise en œuvre qu il présente. La maîtrise de son comportement aux hautes températures reste malgré tout non complète notamment à cause de l évolution de ses propriétés avec l élévation de la température. Ce travail se propose de mener une série d essais permettant de compléter ou d asseoir les connaissances déjà acquises sur le comportement à haute température des bétons, notamment d observer le rôle que joue la matrice cimentaire sur l évolution des propriétés thermiques, hydriques et mécaniques des bétons avec l élévation de la température. Les matériaux testés sont cinq bétons qui couvrent la gamme des bétons ordinaires aux bétons à hautes performances, et offrent la particularité d avoir un squelette granulaire et un volume de pâte constants. Les essais de perméabilité, de compression résiduelle, de traction résiduelle par fendage et de module d élasticité résiduelle ont été réalisés. L évolution des températures au centre et à mi-rayon de certaines éprouvettes au cours du chauffage, ainsi que la perte de masse de l ensemble des éprouvettes ont été également suivis. Les résultats expérimentaux montrent une corrélation entre l évolution de la perte de masse et de la différence de température au sein de l élément chauffée. Ils révèlent l existence de deux grandes zones de comportement des bétons situées avant et après 300 C. Dans la première zone, on note une évolution légère des résistances mécaniques et de la perméabilité, tandis que dans la seconde on observe une baisse considérable des propriétés mécaniques et l augmentation de la perméabilité des bétons. L évolution de la résistance en compression présente, indépendamment du rapport E/C initial des bétons, une forte similitude avec celle de la perméabilité. Cette constatation aboutit à une relation liant ces deux propriétés. Cette étude s intéresse aussi au phénomène d éclatement des bétons. Elle montre que les bétons à faible rapport E/C sont plus sujets à l éclatement que les bétons à fort rapport E/C, et que la taille et la vitesse de chauffage sont des facteurs prépondérants dans le phénomène d instabilité. Elle révèle que l éclatement peut survenir pour des gradients thermiques différents, et que par conséquent les contraintes d origine thermiques ne suffissent pas à elle seules à expliquer le phénomène d éclatement des bétons. Une modélisation du comportement des bétons à haute température est menée dans une seconde partie. Elle repose sur un modèle thermo- hydrique à une seule phase fluide développé au CEA-Saclay. Ce modèle, par les hypothèses simplificatrices qu il adopte et sa correspondance aux résultats expérimentaux, permet de déterminer l eau et la perméabilité comme étant les paramètres clés gouvernant le comportement des bétons à hautes températures. 17

20 Notations Abstract Concrete is the material more used in the field of construction because of the economic advantages and the simplicity of implementation that it presents. The control of its behavior at the high temperatures remains not complete. This can be because of the evolution of its properties with the rise in the temperature. This work concerns a series of tests making it possible to supplement or sit the knowledge already acquired on the behavior of concretes at high temperature and to observe the role of the cementing matrix, the evolution of the thermal properties, hydrous and mechanics of the concretes with the rise in the temperature. The materials tested are five concretes, which cover the range of the ordinary concretes to that of high performance concretes. The tested concretes have a granular skeleton and a constant volume of paste. They were tested to determine to permeability, residual compressive strength, residual splitting tensile strength and the residual modulus of elasticity. Changes of the temperatures at the center and at semiray of the specimens during the heating, as well as the mass loss of the whole of specimens were studied. The experimental results show a correlation between the evolution of the loss of mass and the temperature difference. Its reveals existence of two zones of behavior of the concretes located before and after 300 C. In the first zone one notes a light evolution of the mechanical strength and permeability, while in the second one observes a considerable fall of the mechanical properties and the increase in the permeability of the concretes. The evolution of compressive strength presents, independently of the initial E/C ratio of the concretes, a strong similarity with that of the permeability. This observation leads to a relation binding these two properties. This study also concerns in the phenomenon of bursting of the concretes. It shows that the concretes with weak E/C ratio are more prone to the bursting than the concretes with high E/C. Size and heating rate are dominating factors in the phenomenon of instability. It reveals that the bursting occurs for different temperature differences, and that consequently the mechanical stresses do not alone explain the phenomenon of bursting of the concretes. A modeling of the behavior of the concretes at high temperature is carried out in the second part. A hydrous thermo model with only one liquid phase was developed by the CEA-Saclay. This model by the simplifying assumptions that it adopts and its correspondence with the experimental results makes it possible to determine the water and the permeability as being the key parameters controlling the behavior of the concretes at high temperatures. 18

21 Influence des paramètres de formulations sur le comportement à haute température des bétons I. Introduction Bien que l utilisation du béton dans le domaine de la construction ne cesse de croître, la détermination de ses propriétés reste essentiellement appuyée sur des méthodes empiriques. Ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne le comportement du béton à haute température. En effet, la vaste étendue d utilisation du béton pour la construction des infrastructures et des bâtiments l expose à des situations accidentelles d incendies sans qu il soit toujours possible de prévoir le comportement du matériau et d assurer ainsi une meilleure sécurité des usagers et des ouvrages. Les exemples récents d incendies de tunnels sous la Manche et du Mont-Blanc ont mis en évidence des lacunes sur la compréhension des phénomènes d écaillage et d éclatement du béton et motivé la communauté scientifique à étudier plus en profondeur le comportement à haute température du béton. La première difficulté de l étude du comportement du béton à haute température réside dans la complexité de sa structure et son caractère fortement hétérogène. Toutefois, la matrice cimentaire constitue la composante essentielle de par son rôle de liant entre les granulats, de par sa porosité et aussi de par sa transformation permanente avec l élévation de la température. Des progrès considérables ont été réalisés ces dernières années sur l analyse, la compréhension et la modélisation des phénomènes. Cependant, des points de désaccords existent notamment en ce qui concerne les principaux facteurs de dégradation qui sont d une part la pression de vapeur et d autre part les contraintes thermiques reliées à la modification des propriétés physico-chimio-mécaniques du matériau. L objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension du rôle de la matrice cimentaire sur l évolution des propriétés du béton avec l élévation de la température, en premier lieu par une approche expérimentale permettant de suivre le comportement thermo-hydrique du matériau pendant l échauffement ainsi que les performances physico-mécaniques résiduelles et en second lieu par une approche modélisatrice du comportement thermo-hydrique. La première partie de cette étude est de nature bibliographique. Elle présente une synthèse des travaux réalisés sur les propriétés physiques et chimiques de la matrice cimentaire et sur l évolution de propriétés mécaniques et hydriques du béton avec l élévation de la température. Elle débute par une description de la microstructure de la pâte de ciment et les différentes transformations physico-chimiques qui ont lieu au sein de cette dernière au cours de l élévation de la température. Cette description est suivie par une synthèse des principaux mécanismes expliquant le phénomène d éclatement et des différents moyens de prévention. Une synthèse sur l évolution des performances mécaniques de compression, de traction et du module d élasticité est faite en fonction des différents paramètres influençant le comportement du béton. Nous avons également fait dans ce chapitre une présentation de l évolution de la perméabilité, de la perte de masse et des pressions de 19