L'endommagement d un élément en béton soumis au feu

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1 L'endommagement d un élément en béton soumis au feu Samia Hachemi 1, Abdelhafid Ounis 1, Belhi Guerira 2, Samia Chabi 3 1 Département de génie civil et hydraulique, Laboratoire de LARGHYDE, Université Mohamed Khider, Biskra, Algérie. 2 Département de génie mécanique, Université Mohamed Khider, Biskra, Algérie. 3 Département de génie civil et hydraulique, Université Mohamed Khider, Biskra, Algérie. Résumé : Le comportement du béton est fortement affecté par l'élévation de la température qui entraîne une déshydratation des composés hydratés de la pâte de ciment durcie et éventuellement une altération des granulats. L'évolution des propriétés mécaniques du béton avec la température doit être connue pour se placer dans un cadre de conception sécuritaire des structures vis-à-vis des risques d'incendie. La présente étude expérimentale concerne le comportement de trois types de béton contenant la même nature de granulats et présentant des rapports Eau/Ciment différents. Les résultats expérimentaux comprennent l évolution de la résistance à la compression, la vitesse des ondes soniques et la perte de masse du béton chauffé à une température de 20 à 900 C. Les résultats montrent l'influence de certains paramètres sur les caractéristiques mécaniques résiduelles, la déshydratation de la matrice cimentaire, l'évaporation de l'eau et la décomposition du granulas calcaires. 1. INTRODUCTION Le béton est un matériau composite, formé du ciment, des agrégats et de l eau. L hétérogénéité de ce matériau est une des causes des particularités de son comportement mécanique. La tenue au feu du béton dépend de certaines de ses caractéristiques comme la nature des composants utilisés pour sa formulation, la perméabilité, la teneur en eau et la résistance mécanique. Elle dépend aussi des caractéristiques du feu : vitesse de montée en température, température maximale atteinte, durée d exposition à une température élevée [1]. Nous présentons, dans cet article, les résultats expérimentaux de trois types de béton, un béton ordinaire BO, un béton de haute résistance BHR et un béton de haute performance BHP. Ces bétons ont été chauffés selon une série de températures maximales de 150, 250, 400, 600 et 900 C, et maintenus pendant une heure puis on a déterminé leurs résistances en compression et on a mesuré aussi le temps de propagation des ondes sonique qui traversent ces bétons. 2. COMPOSITION DU BETON Dans cette étude trois types de béton ont été testés. Il s agit-il d un béton ordinaire (BO), un béton de haute résistance (BHR) et un béton de haute performance (BHP). Le ciment utilisé pour les trois types de béton a été CPJ CEM II/A 42,5. Ainsi trois phases granulaires on été utilisées, un gravier concassé de classe 15/20, un gravillon concassé de classe 5/15 et un sable de classe 0/5. On a également employé un super-plastifiant pour assurer une ouvrabilité satisfaisante pour le béton de haute performance (BHP). La formulation du béton ordinaire (BO) a été déterminée par la méthode de Skramtaïve. A partir de cette formulation, la composition du béton de haute résistance (BHR) et du béton de haute performance(bhp) a été déterminée en augmentant le dosage en ciment et en diminuant en conséquence le dosage en eau. Le dosage en adjuvant a été ajusté de manière à obtenir un mélange plastique. C E S Agrégats Adj Dosage w/c 20 mm 10 mm BO BHR BHP Tab. 1. Composition des bétons étudiés. Des éprouvettes cubiques (10x10x10) cm3 ont été confectionnées. Les éprouvettes ont été protégées par un couvercle plastique et conservées à l'air libre, puis elles ont été immergées dans l'eau de température ambiante de (20±2) C pendant 28 jours. Les éprouvettes ont été séchées à l'air libre (4 jours) avant le traitement thermique. 1

2 3. LES ESSAIS 3.1. Cycles de chauffage-refroidissement Pour étudier le comportement du béton à haute température, cinq cycles de chauffage-refroidissement ont été appliqués de 20 C à différentes températures de palier : 150, 250, 400, 600 et 900 C dans un four. Les éprouvettes ont été chauffées avec une vitesse de montée en température constante égale à 3 C/min jusqu'à la température d'essai. La durée du palier de stabilisation de température retenue est d'une heure. La dernière étape est une rampe de descente en température à environ 1 C/min jusqu'à la température ambiante. Le cycle d'échauffement est présenté dans la figure 1. Fig. 1. Caractéristiques des différents cycles de chauffage Résistance en compression L'étude du comportement du béton à haute température consiste en l'observation de la variation de la résistance en compression résiduelle du béton testé avec les températures des paliers Vitesse du son Le principe de cet essai non destructif qui permet de déterminer la vitesse de propagation d ondes longitudinales (de compression) est de mesurer le temps mis par une onde à partir d une distance connue. Cette vitesse de propagation des ondes sonores présente l énorme avantage de donner des informations sur l intérieur d un élément en béton [2] Perte de masse La perte de masse des éprouvettes chauffées de 20 à 900 C permet d'évaluer la quantité de l'eau libre présente dans les matériaux testés et également d'observer la cinétique du processus de séchage et de déshydratation de ces bétons. 4. RESULTATS ET DISCUSSION 4.1. Résistance de compression La résistance en compression à 28 jours est la principale caractéristique utilisée pour caractériser l évolution des propriétés mécaniques du béton avec la température [3]. 2

3 Fig. 2. Evolution de la résistance en compression du béton avec la température. Fig. 3. Evolution de la résistance en compression relative du béton avec la température. Les figures 2 et 3 présentent les résultats de la résistance en compression résiduelle et relative (normalisée par rapport à la valeur initiale mesurée à 20 C) des trois types de béton étudié. A partir de ces deux figures, on distingue deux zones de comportement du béton. La première zone, qui varie de la température ambiante jusqu à 400 C, on constate une augmentation de la résistance en compression de faible ampleur. Cette augmentation peu avoir comme origine le départ de l eau du matériau qui ré-augmente les forces d attraction par le rapprochement des feuillets de CSH [4]. Dans la deuxième zone, qui varie de 400 jusqu à 900 C, on observe une diminution significative des résistances en compression pour les trois types du béton étudié. Elles demeurent inférieures à 10 MPa lorsque le béton est chauffé à 900 C La vitesse des ondes longitudinales L objectif de cette mesure est d obtenir le maximum d informations sur la qualité des bétons soumis à une élévation de température. Dans le cas d un béton soumis au feu, l élévation de la température provoque une modification physico-chimique au niveau de la microstructure du matériau. L auscultation sonique est une méthode bien adaptée à ce type de recherche. Les figures 4 et 5 présentent l évolution de la vitesse de propagation des ondes longitudinale mesurée sur les différents échantillons du béton étudié après l exposition à différentes températures d essai. 3

4 Fig. 4. Evolution de la vitesse des ondes soniques avec la température. Fig. 5. Evolution de la vitesse des ondes soniques relatives avec la température. Les figures montrent une diminution progressive des valeurs de la vitesse de propagation des ondes avec l augmentation de la température. On peu constate que les valeurs de la vitesse de propagation des ondes sonores est presque stable dans la gamme de température de 20 jusqu à 150 C, ce ci peu être expliqué par l absence des fissures dans la matrice cimentaire. A partir de 150 C, les valeurs de la vitesse de propagation des ondes soniques diminuent progressivement avec l augmentation de la température, ce la peu être expliqué par l apparition des microfissures et puis les macrofissures dans la matrice cimentaire et l augmentation de la porosité à cause de la déshydratation de la pâte de ciment Perte de masse Les courbes de la perte de masse relative des bétons étudiés ont été rassemblées sur la figure 6. Les valeurs de perte de masse relative ont été représentées en fonction de la température. Fig. 6. Evolution de la perte de masse avec la température. 4

5 On observe qu'avant 150 C, la variation de la masse est très faible, elle est très lente pour le BHP par rapport au BO. La perte de masse dans ce domaine de température correspond à un départ d'eau libre contenue dans les pores du béton. Puis elle augmente entre 150 et 250 C. Celle-ci correspond au départ de la totalité de l'eau libre, capillaire ou liée chimiquement. Chacun des bétons perd environ 5 % pour le BHP et 6 % pour le BO de sa masse initiale. Entre 300 et 500 C, la variation de la masse devient faible. Puis elle augmente à partir d'une température supérieure à 600 C. En comparant l'évolution de la résistance à la compression avec celle de la perte de masse, nous pouvons constater que les baisses de résistance à la compression entre 200 et 300 C interviennent avec des pertes de masse significatives dans cet intervalle de température. Entre 300 e 400 C, on observe une légère augmentation de la résistance à la compression. Celle-ci correspond à une perte de masse modérée. Une augmentation de la perte de masse accompagnée d une chute de résistance est très significative au-delà de 400 C. Ceci peut être expliqué par une modification de la structure du béton due à la différence du coefficient de dilatation thermique de la pâte de ciment et des granulats, l'augmentation de la porosité, l'apparition de micro et macro-fissures et la décomposition du granulat à des températures supérieure à 550 C [4]. 400 C 600 C 900 C Fig. 7. Dégradation des éprouvettes après le traitement thermique à 400, 600, 900 C. 5. CONCLUSION La présente étude permet d'approfondir les connaissances sur le comportement du béton à des températures élevées. Elle a consisté en l'étude expérimentale des éprouvettes soumises à des cycles de chauffagerefroidissement de 3 C/min de la température ambiante jusqu'à 900 C. Les résultats expérimentaux de la résistance en compression ont montrées que le comportement du béton est fortement modifié par l'élévation de la température. Deux domaines de températures peuvent être distingués. Un premier domaine allant de la température ambiante 20 jusqu à 400 C, où on observe une augmentation partielle de la résistance à la compression. Ceci a été attribué à l'effet de l'eau présentée dans la matrice cimentaire. Son évaporation permet la récupération d'une partie de la résistance du béton. Dans le second domaine, allant de 400 à 900 C, on observe une diminution importante de la résistance à la compression de façon quasi linéaire conduisant à la déstructuration du matériau à 900 C. Ces résultats expérimentaux ont montrées que le béton se fissure et se dégrade à partir de 250 C. On constate aussi que les bétons denses à E/C faible (BHP) sont très affectés par les températures élevées que les bétons ordinaires (BO). V.I. Références [1] F. Robert, H. Colina, and G. Debicki, La durabilité des bétons, Chapitre 13 : La durabilité des bétons face aux incendies, Presses de l école nationale des Ponts et Chaussées. [2] M. Adam Neville, Propriétés des bétons, Editions EYROLLES, [3] K. Tshimanga, Influence des paramètres de formulation sur le comportement à haute température des bétons, Thèse de Doctorat, Université de CERGY-PONTOISE, [4] G. Hager, Comportement à haute température des bétons à haute performance-évolution des principales propriétés mécanique, Thèse de Doctorat, Ecole Nationale des Ponts et chaussées et l Ecole Polytechnique de Cracovie, [5] T. Hafrad, A. Mokhtari, O. Bouhacina, M. Annabi, and N. Kaid, Etude de la résistance à la compression du béton durci à haute température, Colloque CMEDIMAT, [6] C. Andrade, C. Alonso, and G.A. Khoury, Relating microstructure to properties, Course on Effect of Heat on Concrete, International Centre for Mechanical Sciences (CISM), Udine, Italy [7] M. Kanema, A. Noumowe, J.-L. Gallias, and R. Cabrillac, Influence des paramètres de formulation et microstructuraux sur le comportement à haute température des bétons, XXIIIème Rencontres Universitaires de génie Civil Risque & Environnement,

6 [8] A. MENOU, Étude du 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, [9] V.K.R. Kodur, Tenue au feu des éléments de structure en béton haute résistance, Institut de recherche en construction IRC. Canada,

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