Transferts couplés de chaleur et de masse dans des bétons ordinaires et à hautes performances Application à des éprouvettes de grandes dimensions

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1 Transferts couplés de chaleur et de masse dans des bétons ordinaires et à hautes performances Application à des éprouvettes de grandes dimensions Van Thai NGUYEN (Thèse) Norbert RENAULT, Prosper PLIYA (Maîtres de conférence) Professeur Albert NOUMOWE (Chef de laboratoire) Guillaume RANC (PAST) Laboratoire Mécaniques Matériaux du Génie Civil, Université de Cergy-Pontoise

2 SOMMAIRE Introduction Protocole expérimental et matériaux Résultats expérimentaux Discussion Conclusion et Perspectives BETONS PROTOCOLE RÉSULTATS DISCUSSION CONCLUSION

3 Introduction L étude de la stabilité des structures en béton : Un enjeu pour la sécurité des personnes et des biens. MATÉRIAUX PROTOCOLE RÉSULTATS DISCUSSION CONCLUSION

4 Fissures Effritement superficiel Les mécanismes de transfert de masse, de chaleur et la mécanique des bétons sont fortement couplés Besoin d une échelle représentative pour l étude des mécanismes de stabilité MATÉRIAUX PROTOCOLE RÉSULTATS DISCUSSION CONCLUSION

5 Dispositif expérimental 10cm 10cm 10cm 10cm 10cm 10cm T 0 P,T P,T P,T T T T cm Thermocouples et sondes de pression installés avant coulage

6 Sonde de pression Mesure simultanée de la pression et de la température Pression = P Vapeur +P Eau liquide + P Air

7 Acquisition HP Peson 3 Capteurs de pression Ordinateur 7 Thermocouples éprouvette 60x60 cm Panier Four

8 PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL Cycle de chauffage - refroidissement T C T stab t= 24h 20 0 t (h) t stab Tmax 0,1 C/min stab Chauffage : Le temps de palier 1 C/min 2 essais sur Bétons ordinaires Refroidissement Tmax : La température maximale 2 essais sur Bétons Hautes Performances

9 Composition des bétons Dosage (kg/m 3 ) B1 (BO) B2 (BHP) Ciment Eau Gravier SC (6.3-20) Sable SC(0-4) Adjuvant superplastifiant - 4,4 Rapport E/C 0,67 0,30 Rapport Adj/C - 0,88% Résistance Rc à 28 j (MPa) 37 73

10 RESULTATS Mesures de températures vs temps

11 10cm 10cm 10cm 10cm 10cm 10cm T0 P,T 1 1 P,T 2 2 P,T 3 3 T4 T5 T6 60cm

12 Inflexion marquée au centre de l éprouvette

13 2 chutes de températures observées lors du chargement thermique : Matériaux Baisse n 1 Baisse n 2 Béton ordinaire ~ 180 C ~ 540 C Béton ~ 220 C ~ 540 C hautes performance Baisse n 1 : svaporisation de l eau libre sous pression et énergie d extraction de l eau physiquement liée Baisse n 2 : Déshydratation de la portlandite, chute de température non observée de manière significative sur les éprouvettes de petite taille

14 Différence de la température en surface et à l intérieur du 1. Température béton Un pic est observé à TS = 250 C entre la surface le point T1 à 10cm. Un pic pour les autres points pour TS = 300 C. L amplitude du pic augmente avec la valeur du rayon au point de mesure. L écart maximal pour le BO est de C et C pour le BHP et la cinétique augmente après 250 C.

15 Gradient thermique vs Tsurface Le gradient thermique augmente fortement près du bord de l éprouvette et atteind : 6 C/cm pour B1 (BO) 5 C/cm pour B2 (BHP)

16 Gradient thermique vs Tsurface Au-delà de TS = 350 C, le gradient thermique est constant, Il ne dépend plus de la perte d eau.

17 Pression en fonction du temps Les courbes de pression évoluent de la même façon pour le BO Pour le BHP, un déplacement de pic de pression est constaté

18 RÉSULTATS -Pression vs Ts La pression est maximale pour TS = 250 C : 9 bars pour le B1 (BO) 19 bars dans le B2 (BHP)

19 RÉSULTATS Gradient de pression vs Ts Le gradient maximal est observé à 10 cm de la surface chauffée. Il est double pour le BHP/BO

20 RÉSULTATS Perte de masse vs Ts Perte de masse plus rapide et plus importante pour le BO / BHP : BO ~ 11% BHP ~ 8%

21 Perte de masse vs Ts L évolution de la perte de masse se déroule en trois phases KANEMA '07, GAWESKA '04, NOUMOWE '95

22 Perte de masse vs Ts Phase 1 (Ts =20 à120 C) Cinétique lente : BO : 0,25 kg/h BHP : 0.16 kg/h

23 Perte de masse vs Ts Phase 2 (Ts =120 à 300 C) Perte de masse rapide : BO : 0,88 kg/h BHP : 0,60 kg/h

24 Perte de masse vs Ts Phase 3 (Ts >300 C) L eau de départ est presque totalement évacuée avec une vitesse similaire pour les 2 bétons (0,15 kg/h) MATÉRIAUX PROTOCOLE RÉSULTATS DISCUSSION CONCLUSION

25 DISCUSSION - Pression-Température vs temps Pic de pression et baisse n 1 des températures sont liés. L interaction entre la chute de température et la vaporisation de l eau est démontré.

26 DISCUSSION - Pression-Perte de masse vs temps La perte de masse entre 120 et 300 C entre 20 et 50 h traduit un transfert d eau important. Elle coïncide avec les plus fortes pressions mesurées.

27 DISCUSSION Température-Perte de masse vs temps Inflexion de la courbe de perte de masse et baisse n 1 de la température coïncident. Au delà de 540 C la masse est quasi-stable.

28 DISCUSSION Température -Pression-Perte de masse vs temps La superposition des 3 paramètres : Masse, Température, Pression, révèle le couplage entre transfert de chaleur et de masse.

29 CONCLUSION Deux phases de baisse de températures intérieures sont observées. La première phase s observe autour de la température locale 180 C pour le béton ordinaire et 220 C pour le béton à hautes performances. La seconde phase, moins nette (qui n est généralement pas observée lors d essais sur de petites éprouvettes), apparaît autour de 540 C pour les deux compositions de béton. L utilisation d éprouvettes de grande taille est pertinente.

30 CONCLUSION La pression atteint sa valeur maximale au point P1 le plus proche de la surface ~9 bars pour le BO à la température de 197 C ~19 bars pour le BHP à la température de 214 C MATÉRIAUX PROTOCOLE RÉSULTATS DISCUSSION CONCLUSION

31 CONCLUSION Le pic de pression coïncide avec le début de la première baisse de température interne et le domaine de perte rapide de masse. Les résultats de cette étude montrent clairement et de façon répétée le couplage des transferts de chaleur et de masse dans un béton ordinaire et un béton à hautes performances.

32 Relier la perméabilité, la conductivité thermique et la chaleur massique des 2 bétons pour analyser les essais (différences de cinétique et amplitude). Réaliser une simulation numérique avec un modèle thermohydrique pour comparer des résultats expérimentaux et numériques.

33 MERCI DE VOTRE ATTENTION