L effet du rapport E/C sur le comportement des bétons à hautes températures

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1 L effet du rapport E/C sur le comportement des bétons à hautes températures Meftah Houria 1*, Arabi Nourredine 1 1 Laboratoire Génie Civil, Université Badji Mokhtar Annaba, BP 12, Annaba, Algérie * meftah.houria@yahoo.fr RESUME. Chaque année les incendies surviennent dans les bâtiments et autres ouvrages causant des dommages dans les structures en béton, suscitent des interrogations concernant sa tenue au feu. Les bétons étant des matériaux hétérogènes et de formulations pour des usages spécifiques, nécessitent de connaitre au mieux leurs l endommagement sous l effet thermique. L étude porte sur l influence du rapport E/C sur le comportement mécanique des bétons exposés à des hautes températures. Des cubes de bétons (10x10x10) cm sont chauffés dans un four à moufle à 500, 700 et 1000 C. Le comportement visé est celui post-chauffage et un échantillon mesuré à froid sert de témoin. L évolution du graduant température dans le four est semblable à la courbe ISO d un incendie. Les résultats obtenus montrent qu avec l augmentation du rapport E/C des dommages dans le béton sont relevés et qui sont occasionnés par la pression de vapeur d eau élevée dans le béton. La résistance à la compression des bétons chauffés chute avec l augmentation du gradient de température. Le plus fort endommagement du béton est relevé pour la température de chauffage de 1000 C. ABSTRACT. Each year fires occur in buildings and other structures causing of damages in the concrete structures, which arouse questions about its fire behavior. The behavior of concrete subjected to high temperatures did object of several studies. Those are heterogeneous materials and formulations for specific uses; require knowing the best damage of concrete beneath thermal effect. The studies have an influence for W / C on the mechanical behavior of concrete exposed to high temperatures. Concrete cubes (10x10x10) cm are heated in a muffle kiln at 500, 700 and 1000 C. The referred behavior is the post-heating and a cold sample measured as witness. The evolution of graduating temperature in the furnace is similar to the ISO curve in fire. The results show that with the increase of E / C damage in concrete are statements that are caused by the pressure of high water vapor in the concrete. The compressive strength of concretes heated drop with increasing temperature gradient. The stronger concrete damage is raised to the heating temperature of 1000 C. MOTS-CLÉS : béton-hautes températures- rapport E/C - résistance mécanique. KEYWORDS: concrete- high temperatures -workability - mechanical strength. 1 XXIXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Tlemcen, 29 au 31 Mai 2011.

2 2 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin Introduction L emploi du béton dans le domaine de la construction est en constante croissance, de ce fait, il peut être soumis à des actions accidentelles d incendie et par conséquent il est impératif de connaitre son comportement vis-à-vis du feu et afin d assurer une meilleure sécurité des usagers et des ouvrages. L augmentation de température produite par un incendie peut fortement modifier le comportement du béton et mettre à risque la stabilité des structures. Le béton est un matériau composite, constitué de mélange de liant hydraulique (ciment), de granulats (gravillons et sable), d eau et éventuellement d adjuvants. En raison de son hétérogénéité, il est donc indispensable de bien comprendre le rôle de chaque constituant pour pouvoir éclaircir son comportement. Différentes études expérimentales réalisées par plusieurs chercheurs ont permis de mieux comprendre le comportement du matériau soumis à des hautes températures ainsi que l'influence de différents paramètres (Gaweska Hager, 2004 ; Hager et al., 2005 ; Kanema Tshimanga, 2007). Le rapport Eau/Ciment (E/C) est un paramètre qui influence certaines propriétés (physiques et mécaniques) du béton. L intérêt de ce travail est une contribution à la compréhension du rôle du rapport E/C sur le comportement mécanique des bétons exposés à des hautes températures. 2. Matériaux utilisés et méthodologie d essais 2.1.Matériaux utilisés Les agrégats utilisés, un sable de dune (roulé) de fraction 0/5 provenant de la région d Annaba et un gravier de fractions (5/10) et (10/20). Le gravier de nature calcaire provient des carrières d Oued El Aneb dans la région d Annaba. L analyse des granulats est réalisée conformément à la norme XP P (AFNOR,1994) pour les caractéristiques physiques et mécaniques (de dureté), les résultats d essais sont présentés respectivement dans les tableaux 1 et 2. Les analyses granulométriques du sable et graviers sont illustrées par la figure 1. Caractéristiques physiques des granulats Sable 0/5 Gravier 5/10 10/20 Masse volumique apparente (g/cm 3 ) 1,48 1,38 1,40 Masse volumique absolue (g/cm 3 ) 2,67 2,72 Module de finesse 2, Equivalent de sable (%) 90, Teneur en eau (%) - 0,6 0,07 L absorption d eau (%) après 48 h - 0,71 0,46 Tableau 1. Caractéristiques physiques des granulats utilisés

3 Tamisats en % L effet du E/C sur le comportement des bétons à hautes températures 3 Le ciment utilisé est de classe CEM/II 42.5 produit par la cimenterie de Hadjr Essoud (Skikda). Les propriétés physiques et mécaniques sont données dans le tableau 3. Gravier Essai Los Angeles Essai de fragmentation dynamique Essai Micro Deval Fraction 6,3/ Tableau 2. Essais de dureté sable (o/5) gravier(5/10) Diamètres des tamis en mm Figure 1. Courbes granulométriques des granulats utilisés Caractéristiques Valeurs Masse volumique apparent (g/cm 3 ) 1,21 Masse volumique absolue ( g/cm 3 ) 3,10 Consistance normale (%) 29 Début de prise (h/mn) Fin de prise (h/mn) 2h 34mn 6h 00 Classe de résistance (MPa) 42,5 Résistance vraie (MPa 39 Surface spécifique (cm²/g) 3200 Tableau 3. Propriétés physiques et mécaniques du ciment utilisé.

4 4 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin Méthodologie expérimentale La méthode de formulation des bétons est celle de Dreux-Gorisse (Dreux, 1998) en prenant un dosage en ciment constant de 350 kg pour 1m 3 de béton (tableau 6) et une consistance plastique A f =7 ± 2 cm d affaissement au cône d Abrams. Le choix des variations du rapport E/C s est fait en tenant compte des classes de consistance (norme NF EN 206-1). Constituants Volume (litres) Ciment 112,90 Eau 189,19 Sable 249,24 Gravier (5/10) 64,09 Gravier (10/20) 398,78 E/C 0,50 0,54 0,56 0,58 Tableau 3. La composition du béton Les éprouvettes cubiques en béton de dimensions (10x10x10) cm après confection sont conservées à l air libre durant 90 jours. Une série d éprouvettes est testée à froid (échantillon témoin sans subir un chauffage) et les autres séries sont chauffées dans un four à moufle aux températures de 500, 700 et 1000 C. Le four utilisé de température maximale de 1300 C permet d atteindre des temps de chauffe courts mais avec des vitesses de graduant de température moindres que celles données dans la courbe ISO d un incendie réel. La programmation de la rampe de montée de température est réalisée en 6 segments, la figure 2 illustre la courbe de chauffage et le tableau 4 donne les durées de chauffage pour les trois paliers de température étudiés. Figure 2. Courbes de chauffe

5 L effet du E/C sur le comportement des bétons à hautes températures 5 Les paliers de température ( C) La durée (min) Chauffage Courbe ISO Tableau 4. Durées des paliers de chauffage La résistance à la compression est déterminée pour chaque palier de température de chauffage, 3 échantillons sont testés pour chaque essai. 3. Résultats et discussion 3.1. Essais d ouvrabilité La figure 3 montre l évolution de la maniabilité en fonction du rapport E/C. Le constat général qui se dégage est que l affaissement au cône augmente lorsque le rapport E/C croît. Le rapport E/C de 0,54 semble le plus approprié pour un béton courant et donne un affaissement de consistance plastique, valeur ciblée dans la formulation. Le rapport E/C de 0,58 donne une ouvrabilité trop plastique voire mou. Figure 3. L influence du rapport E/C sur la maniabilité.

6 6 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin La masse volumique apparente du béton frais La figure 4 montre l évolution de la masse volumique apparente du béton frais en fonction du rapport E/C. Avec l augmentation de ce dernier la masse volumique chute, l excès d eau occupe un volume dans l échantillon et qui est de densité inférieure aux autres composants (pâte, granulats, ). Cet excès d eau favorise la ségrégation et contribue à la perte de laitance de ciment au cours de la vibration. Figure 4. La masse volumique apparente du béton frais Résistance à la compression Le constat majeur qui se dégage des essais d écrasement réalisés est que la résistance à la compression diminue lorsque le rapport E/C augmente (figure 5). La résistance en compression cible à 28 jours admise préalablement pour la formulation est atteinte pour toutes les compositions sauf pour le mélange formulé avec le rapport E/C 0,58. Ce constat s applique pour les échantillons non chauffés. Une similitude est constatée entre l évolution de la masse volumique apparente du béton frais à celle de la résistance à la compression. Les mélanges les plus denses présentent les meilleures résistances. L évolution des résistances en compression en fonction du rapport E/C obtenues à température ambiante sont en parfaite concordance avec celles obtenues pour les autres gammes de températures (500, 700 et 1000 C), ce qui traduit une répartition homogène des composants dans le volume du béton.

7 L effet du E/C sur le comportement des bétons à hautes températures 7 Les échantillons chauffés jusqu à 500 C perdent 8 à 12% de leur résistance initiale à la compression et ceux chauffés à la température de 700 C voient leur résistance perdre de 20 à 36%. Ces pertes sont essentiellement dues dans la première gamme de température au départ d eau libre, l eau liée, destruction partielle des CSH et le début de la décomposition de la Portlandite Ca(OH) 2 (Alonso et al., 2004). Le départ de l eau se traduit par une modification considérable des propriétés mécaniques du béton et si la porosité fermée ou fine empêche l eau de s évaporer facilement ce qui entraine une augmentation de la pression de vapeur d eau qui provoque la formation des fissures ou éclatements du béton. Pour la gamme de température 700 C le processus de décomposition de la matrice béton est plus complexe, déshydratation des silicates de calcium hydratés et une décomposition des granulats (Noumowé, 1995). Les granulats siliceux perdent leur résistance à la suite d une perte d eau ce qui engendre un clivage et les granulats calcaires (gravier de nature calcaire utilisé dans cette étude) se décompose en donnant du CO 2 et du CaO et cette décomposition peut aller jusqu à 900 C. Ce cas précis a été constaté avec les échantillons chauffés à 1000 C (figure 6) où le CaO ainsi formé a réagi pendant le refroidissement avec l humidité pour donner de la Portlandite Ca(OH) 2 dont le volume entraine un accroissement de fissure observée sur l échantillon après quelques jours de refroidissement à l air libre. Les mêmes observations ont été aussi soulevées par Menou (2004).Les échantillons chauffés à 1000 C ont perdu jusqu à 80% de leur résistance initiale. Figure 5. Résistance en compression

8 8 XX e Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin Juste après le refroidissement Après quelque jours de refroidissement Figure 6. Exemple d éclatement de béton observé après le refroidissement. 4. Conclusion L intérêt de cette étude a permis de mettre en relief l influence du rapport E/C sur le comportement des bétons sous l effet de la température. A température ambiante avec des rapports E/C supérieurs à 0,56 la résistance à la compression cible sera compromise. A travers les valeurs des résistances obtenues des échantillons chauffés l influence du rapport E/C n est pas confirmée. Les pertes de résistance sont en cohérence avec l augmentation du rapport E/C (augmentation de la quantité d eau de gâchage). Cependant, une augmentation d eau devrait fournir plus de pression de vapeur d eau qui est synonyme plus d éclatement de béton donc des résistances plus faibles. A une température de chauffe de 1000 C il y a modification considérable des propriétés mécanique du béton puisqu il perd jusqu à 80% de sa résistance initiale. 5. Références Alonso C., Fernandez L., «Deshydration and rehydration processes of cement paste exposed to high temperature environments», Journal of materials sciences, Vol. 39 (2004) Dreux G., Nouveau guide du béton et de ses constituants, Edition Eyrolles, Gawe I., «Comportement à haute température des bétons à haute performance évolution des principales propriétés mécaniques», Thèse de doctorat, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées et l Ecole Polytechnique de Cracovie, 2004.

9 L effet du E/C sur le comportement des bétons à hautes températures 9 Hager I., Pimienta P., «Déformation thermique transitoire des bétons à haute performance. Etude expérimentale», European Journal of Environmental and Civil Engineering, VOL 9/3 (2005) Kanema Tshimanga M., «Influence des paramètres de formulation sur le comportement à haute température des bétons», Thèse de doctorat, Université de Cergy-Pontoise, Menou A., «Etude de comportement thermomécanique des bétons à haute température ; Approche multi échelle de l endommagement thermique», Thèse de doctorat, Université de Pau et des pays de l Adour, Moumowé A., «Effets des hautes températures (20.600C ) sur le béton.cas particulier du béton à hautes performance», Thèse de doctorat, INSA de Lyon, Norme française XP P , Granulats, Granulats pour béton hydraulique, spécifications, AFNOR 1994.