Essai original de mesure des caractéristiques thermiques du béton

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Robert Leboeuf
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1 Essai original de mesure des caractéristiques thermiques du béton Jean-David GRANDGEORGE, Sandrine BRAYMAND, Christophe FOND, Violaine TINARD IUT Robert Schuman, Université de Strasbourg «Construction durable dans le Rhin Supérieur» 15/11/2012 Pourquoi mesurer les caractéristiques thermiques des bétons de granulats recyclés? Béton de granulats recyclés : Composants diversifiés et peu homogènes (composition, constitution, porosité, ) Pas d information a priori Utilisation dans la construction de bâtiments BBC Possibilités de stockage / restitution d énergie thermique Conductivité thermique λ Chaleur massique C m Masse volumique ρ

2 Comment les mesurer? Fabriquer une éprouvette La soumettre à une sollicitation thermique Décrire le phénomène analytiquement ou numériquement Définir une procédure permettant d obtenir les caractéristiques Conductivité thermique Capacité Masse volumique Perfectionner l essai: Système expérimental Géométrie et fabrication de l éprouvette Exploitation de données expérimentales simples àtravers un modèle numérique validé. ESSAI ORIGINAL L éprouvette Anneau de béton fabriquéàpartir d un moule 16X32cm Tube intérieur cartonnéavec fond métallique étanche Sonde de température entre carton et béton Conductivité thermique Capacité Masse volumique Géométrie testée depuis 2009

3 Sollicitation thermique Sollicitation de l eau contenue dans le tube intérieur Tube intérieur cartonnéavec fond métallique étanche Sollicitation par une résistance thermique plongeante: campagne essai 1 Sollicitation par une masse d eau à70 C qui se refroidit : campagne essai 2 Campagne 1: mesure conductivité Résistance thermique amenant àl établissement d un Régime Permanent Établi Eau chauffée par une résistance 24W Couvercle isolant en partie haute Agitateur magnétique Flux d air forcé par ventilateur Mesure des températures intérieure et extérieure

4 Campagne 1: mesure conductivité Résistance thermique amenant àl établissement d un Régime Permanent Établi l R i R e Conditions expérimentales Hypothèses pour application de la relation donnant λ: Température homogène sur chaque surface du tube Epaisseur de l anneau constante Attente d un RPE: régime permanent établi, avant mesure des températures Effets de bords négligeables matériau homogène Température imposée et contrôlée sur paroi intérieure Convection forcée sur la paroi extérieure du cylindre Conduction dans le matériau (intérieur -> extérieur) Campagne 1: mesure conductivité 1. Homogénéitéde température de surface 2. Contrôle de l épaisseur Epaisseur considérée comme constante pour les trois bétons testés: 2,25 +/-0,40 cm. 3. Vérification expérimentale des conditions de bords 4. Validation numérique des conditions de bords Echantillon λavec éprouvette: extrémitésupérieure seule isolée W/( m.k) λavec éprouvette: deux extrémités isolées W/( m.k) Ecart relatif (%) Béton Classique 1,17 1,19 1,7 Béton Mixte 2,60 2,48 4,6 Béton Recyclé 1,09 0,98 10

5 Campagne 1: résultats Mesures béton 12 mois Capacitéthermique : essai destructif, béton concasséet passéàl étuve plongé dans un calorimètre contenant une masse d eau froide Masse volumique: par pesée des éprouvettes Campagne 2: mesure conductivité Une masse d eau à70 C est versée dans le tube central, on observe le refroidissement dans le milieu ambiant

6 Campagne 2: mesure conductivité Le refroidissement doit être analysé numériquement Température eau Température intérieure béton Température extérieure béton Ecart de Température (K) Temps(s) «Construction durable dans le Rhin Supérieur» 15/11/2012 Campagne 2: identification des paramètres L identification est en cours: comparaison des résultats numériques pour différentes valeurs de conductivitéavec l évolution expérimentale Les valeurs de ρet de Cm ont étéreprises de la campagne 1 Ecart de température (K) k=0,6 k=1,3 k=2 Expérimental Temps (s) Les tendances observées confirment les possibilités de l essai de l anneau, la campagne 3 est projetée: Sur une nouvelle géométrie un échange thermique extérieur reproductible Avec une procédure permettant d obtenir ρ, C et lambda successivement

7 Campagne 3: procédure en cours de validation Tube intérieur métallique avec couvercle étanche rapporté La mesure de la température de l eau sera identique àcelle de la face interne du béton Phase 1 : Anneau entouréd isolant Eau à70 C introduite dans le tube Essai en trois phases Phase 3 : RPE avec résistance électrique Phase 2 : Refroidissement Campagne 3: procédure en cours de validation Phase 1 : Anneau entouréd isolant Eau à70 C introduite dans le tube Température eau Température béton Température d équilibre CHALEUR MASSIQUE DU BÉTON

8 Campagne 3: procédure en cours de validation Phase 2 : Refroidissement Identification des paramètres àpartir du modèle numérique(campagne 2) CONDUCTIVITÉ DU BÉTON Phase 3 : RPE avec résistance électrique Détermination de lambda par calcul analytique (campagne 1) Validation des résultats de la phase 2 Campagne 3: création convection forcée externe Ventilateur Support d essai permettant de créer un échange par convection reproductible vers de l air: Zone de circulation d air stable autour de l anneau béton Réglage de la température de l air Support utilisédans les phases 2 et 3 Support en cours de réalisation. Isolation partie haute, agitateur et résistance électrique Anneau à tester Isolation partie basse et support Batterie froide Entrée d air

9 Conclusion: procédure de mesure Les mesures de conductivitéet de chaleur massique des campagnes 1 et 2 mettent en évidence l intérêt thermique d un béton de granulat recyclé La nouvelle géométrie de l éprouvette «anneau»avec tube intérieur métallique permet l étude de béton dont le plus gros grain est inférieur à 8mm Àterme, la mesure des températures se fera sans inclure de sonde lors de la fabrication des éprouvettes La campagne de mesure 3 permettra de caler les modèles et de déterminer un temps de refroidissement «caractéristique» Conductivité thermique λ Chaleur massique C m Masse volumique ρ

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