Influence de la nature des fibres synthétiques incorporées sur le L. MISSEMER, E. OUEDRAOGO, Y. MALECOT, C. CLERGUE, D. ROGAT

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1 Influence de la nature des fibres synthétiques incorporées sur le comportement au feu des BFUP : cas du BCV L. MISSEMER, E. OUEDRAOGO, Y. MALECOT, C. CLERGUE, D. ROGAT

2 Problématique : éclatement du béton Kodur, Phan, SIF 06 J.-M. DEMORIEUX, 1998 Essai de résistance au feu d un poteau chargé Incendie dans le tunnel sous la Manche (1996) Température atteinte : 800 C Durée : 3 heures 30 Température atteinte : 1100 C Durée : 10 heures 2

3 Compositions d un BFUP et du BCV E/C=0,54 E/C<0,2 E/C<0,19 G + S G + S FS 2086 kg/m 3 C C E f c =40 MPa f ct =2.4 MPa FM E f c 150 MPa f ct =10 MPa E=40-55 GPa 194 kg/m kg/m 3 f c =150 MPa f ct =10 MPa E=44 GPa 50 m BO BFUP BCV Proportions d après J.-C. Mindeguia,

4 Démarche Mettre en évidence l éclatement par des essais de chauffage adaptés Etudier différentes formulations de béton à base de matrice BCV avec des fibres synthétiques différentes Tenter de comprendre pourquoi certaines formulations résistent à l éclatement et pas d autres en fonction de la géométrie et de la nature des fibres Analyses au microscope électronique à balayage (MEB) Mesures de porosimétrie au mercure Est-il alors possible de proposer un «critère d éclatement»? Restriction aux fibres d acrylique et de polypropylène. 4

5 Plan 1. Phénomènes d instabilité thermique : Les hypothèses avancées Le rôle des fibres synthétiques 2. Essais au chalumeau et résultats 3. Analyses au microscopique électronique à balayage et observations 4. Mesures de porosimétrie au mercure et conséquences 5. Conclusions 5

6 Instabilité thermique : les hypothèses avancées 0 Profondeur 1. Effet du gradient thermique 2. Effet de la pression interne (inspiré de G. Khoury, 2008) 6

7 Instabilité thermique : le rôle des fibres synthétiques Zone de condensation 7

8 Instabilité thermique : le rôle des fibres synthétiques Caractéristiques : - compositions chimiques : - Polypropylène (PP) - Polyethylène (PE) - Vinylal (PVA) - Acrylique (PAN) - autres... - température de fusion : 100 C à 320 C - longueurs : 4 à 12 mm - diamètres : 14 à 50 μm Nature de l ajout Nbre compositions Polypropylène 33 Polyethylène 4 Acrylique 4 Polyvynil alcool 14 Cellulose 12 Cheveux 2 Minéral 4 Fibres de verre 4 Basalte 3 TOTAL 80 Exemples de fibres de polypropylène 8

9 Instabilité thermique : le rôle des fibres synthétiques Caractéristiques Acrylique Polypro Longueur (mm) 6 6 Diamètre (μm) Température de fusion ( C) Dosage (kg/m 3 ) 3 9

10 Essais au chalumeau échantillon 15 cm chalumeau Temps d essai : 5 min Vue de profil Conservation Instrumentation Distances d Acrylique Fibres métalliques -- Age de l échantillon 28 jours Salle humide Thermocouple contre la face brûlée 10 ou 15 cm Polypro 10

11 Essais au chalumeau Température sur la face chauffée 11

12 Essais au chalumeau Illustration Acrylique Polypro d=15 cm 12

13 Essais au chalumeau : différentes formulations Différentes formulations étudiées Formulation Type d addition Longueur mm Diamètre mm Dosage Kg.m -3 Surface spécifique m 2.m -3 C aucune CPP1 PP , CPP2 PP CPP3 PP ,5 600 CPAN PAN , CM PP ,

14 Essais au chalumeau : résultats Différents faciès d écaillage suivant la composition CPP1 CPP2 CPAN CM 14

15 Essais au chalumeau : résultats Résultats des essais au chalumeau Nom de la formulation Quantité de fibres Kg.m -3 Surface spécifique m 2.m -3 Eclatement d=10 cm Eclatement d=15 cm C OUI OUI CPP1 3, NON NON CPP * OUI CPP3 4,5 600 NON NON CPAN 3, * OUI CM 65, * OUI Les formulations à base de fibres de PP à partir d un certain dosage résistent à l éclatement Les formulations à base d autres fibres pour des dosages équivalent ou supérieur ne résistent pas. 15

16 Instabilités thermiques : essai au chalumeau Pourquoi les fibres PP sont-elles plus efficaces vis-à-vis de l éclatement? 16

17 Evolution des fibres synthétiques seules avec T polypro 25 C 175 C 340 C 750 C acrylique 17

18 Analyses àl échelle microscopique (MEB) : protocole T cible 350 Température ( C) Température ,4 C/min palier de chauffage : 2h ou 4h Temps Time (min) refroidissement dans le four T cibles 25 C, 110 C, 170 C, 200 C, 280 C, 350 C eau libre fusion polypro fusion acrylique 18

19 Analyses à l échelle microscopique : observations au MEB Acrylique Polypro fibre fibre granulat pâte pâte granulat 19

20 Analyses à l échelle microscopique : observations au MEB Lit de fibre après chauffage à 200 C et refroidissement Acrylique Polypro 13 μm 50 μm 40 5 µm 80 µm Lit de la fibre protégé par un film Lit de la fibre dégagé 20

21 Analyses à l échelle microscopique : porosité au mercure C Température ( C) 300 Température h 5,4 C/min refroidissement Temps Time (min) 30 mm Echantillons testés 5 résistants à l écaillage 8 non résistants à l écaillage 21

22 Analyses à l échelle microscopique : porosité au mercure Porosité totale CM CPP1 CPP2 CPAN C Porosity (%) 22

23 Analyses à l échelle microscopique : porosité au mercure 23

24 Analyses à l échelle microscopique : porosité au mercure 24

25 Analyses à l échelle microscopique : porosité au mercure Facteur de zone critique (F zc ) Condition nécessaire : F zc >0.02 ml/g 25

26 Conclusions L essai au chalumeau a permis de discriminer les formulations vis-à-vis de l écaillage. Les propriétés physiques particulières du polypropylène (température de fusion, aptitude d évaporation et absence d affinité d adhésion avec la pâte de ciment) sont favorables à la résistance à l éclatement. En revanche l acrylique a des propriétés physiques tout à fait différentes, plutôt défavorables. Un critère appelé facteur de zone critique, qui permettrait de caractériser le risque d écaillage de la formulation à partir de mesures de porosimétrie à mercure, est proposé. Ce facteur devrait être confirmé par des analyses plus poussées sur d autres d autres types de fibre et d autres types de béton. 26

27 Merci pour votre attention 27