Dirigé par: Pr. OUNIS Abdelhafid Le 13/12/2015. Réalisé par: HACHEMI Samya

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1 Université Mohamed Khider Biskra Faculté des Sciences et de la technologie Département de Génie Civil et Hydraulique Soutenance de DOCTORAT Option: Matériaux de Construction ETUDE DU COMPORTEMENT DU BÉTON SOUMIS À HAUTE TEMPÉRATURE Influence du Type de Béton et de la Nature des Constituants Réalisé par: HACHEMI Samya Dirigé par: Pr. OUNIS Abdelhafid Le 13/12/2015

2 Sommaire 1 Introduction 2 Etude Bibliographique 3 Programme Expérimental 4 Résultats et Discussion 5 Conclusion

3 INTRODUCTION

4 INTRODUCTION L EXPOSITION DU BÉTON AU FEU? Béton à 20 C Béton après exposition à 450 C 1

5 INTRODUCTION L EXPOSITION DU BÉTON AU FEU? Béton à 20 C Béton après exposition à 450 C 1

6 INTRODUCTION Un béton de résistance normale La Tour WINDSOR, Madrid (2005) L effondrement des façades et de la zone périphérique des niveaux supérieurs à base de structures métalliques 2

7 INTRODUCTION Un béton de résistance normale La Tour WINDSOR, Madrid (2005) L effondrement des façades et de la zone périphérique des niveaux supérieurs à base de structures métalliques 2

8 INTRODUCTION Un béton précontraint Une température de 750 C Le viaduc des 3 Fontaines, Bruxelles (2003) Les poutres présentent des éclatement de béton Des armatures et des torons précontraints sont visibles 3

9 INTRODUCTION BHP (80 MPa) La face intérieure de revêtement a été portée à 1100 C Tunnel sous la Manche (1996) Un écaillage très important Diminution de l épaisseur du revêtement en voûte de 20 à 40 cm 4

10 INTRODUCTION Béton Ordinaire Béton Précontraint T = 750 C BHP T = 1100 C 5

11 INTRODUCTION Problématiques Objectifs Démarche Améliorer la compréhension du comportement des bétons exposées à hautes températures

12 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

13 2.1.1 Evolution de la pâte de ciment 2.1 Effets des HT sur les composants et les propriétés physiques du béton 20 C 100 C 150 C L évaporation de l Eau libre [Alonso et al, 2003], [Felicetti et Gambarova, 2008] L Ettringite se décompose[alonso et al., 2003] Les hydrates commencent à se décomposer [Scherefler et al., 2003], [Hager, 2004] 400 C 500 C La Portlandite se décompose [Wetzig, 2001] 850 C La déshydratation du gel CSH est progressive [Bažant et Kaplan,1996] Evolution des quantités de phase d une pâte de ciment durcie au 1100 C La fusion de la pâte de ciment [Alonso et al., 2003] cours de l échauffement [Alonso et al., 2003] 6

14 2.1.2 Evolution des granulats 20 C 575 C 650 C 700 C 1100 C Granulats Siliceux : Transformation du quartz-α en quartz-β avec une dilatation de l ordre de 1% à 5,7% [Alonso et al., 2003], [Scherefler et al., 2003], [Wetzig, 2001], [Felicetti et Gambarova, 2008] Granulats Calcaires : Comportement Thermique Stable [Scherefler et al., 2003] Granulats Calcaires : Décarbonatation CaCO3 CaO + CO2 [Alonso et al., 2003] Courbes ATD de quatre types de granulats (10 C/min) [Scherefler et al., 2003] 7

15 2.1.3 Dégradation de l interface pâte-granulats Développement des fissures au niveau de l interface pâte-granulats : Départ de l eau adsorbée entourant les granulats. Dilatation différentielle. Fissures Radiales Fissures Tangentielles 20 C 600 C Comparaison de la structure d un BHP avant et après l échauffement à 600 C [Hager, 2004] 8

16 2.1.4 Perte de masse Départ de l eau libre et de l eau liée chimiquement [Kanema et al., 2005], [Hager, 2004] Déshydratation de la Portlandite et du gel de CSH [Hager, 2004] Perte de masse des bétons déterminées durant l échauffement [Hager, 2004] 9

17 2.1.5 Evolution de la porosité Augmentation plus nette Faible augmentation Déshydratation de la pâte de ciment [Alonso et al., 2003] L incompatibilité de déformation [Noumowé et al., 1996] L eau libre s est échappé mais la microstructure du béton n est pas modifiée [Noumowé et al., 1996] Evolution de la porosité du béton avec la température [Noumowé et al., 1996] 10

18 2.1.6 Evolution de la perméabilité C : Détérioration de la matrice cimentaire C : Elargissement des pores capillaires Evolution de la perméabilité intrinsèque résiduelle des bétons en fonction de la température [Kanema et al., 2005] 11

19 2.2 Evolution des propriétés mécaniques du béton avec la température Résistance en compression à hautes températures 150 C : Dispersions des Résultats Evolution de la résistance en compression relative des bétons avec la température [Phan et Carino, 2003] 12

20 2.2.1 Résistance en Compression à hautes températures [Abrams, 1971], [Sarshar et Khoury, 1993] [Cheng et al., 2004] [Xiao et König, 2004] [Arioz, 2007 ] Influence du type de granulats sur l évolution de la résistance en compression du béton avec la température [Abrams, 1971] 12

21 2.2.2 Résistance en Traction à hautes températures [Noumowé et al., 1996] [Felicetti et Gambarova, 1999] [Kanema et al., 2005] Evolution de la résistance résiduelle en traction avec la température [Noumowé et al., 1996] Evolution de la résistance à la traction du béton mesurée par essai de fendage après refroidissement [Kanema, 2007] 13

22 2.2.3 Module d élasticité Evolution des modules d élasticité résiduels et des modules d élasticité résiduels relatifs à différentes températures [Kanema et al., 2005] Evolution des modules d élasticité apparents et des modules d élasticité apparents relatifs déterminés à chaud à différentes températures [Hager, 2004] 14

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24 3.1. Compositions des Bétons testés Premier groupe : Béton de granulats ordinaires Tableau 1. Compositions des bétons testés B1-GO, B2-GO, B3'-GO et B3-GO Dosage (kg/m 3 ) B1-GO B2-GO B3'-GO B3-GO Ciment CPJ CEM II/A 42.5 Granulats calcaires 15/25 Granulats calcaires 5/15 Sable siliceux 0/5 Eau Plastifiant (%) Rapport E/C Rc 28 jours (Mpa) Une forte compacité augmente le risque d'instabilité thermique du béton [Mindeguia, 2009]. 15

25 3.1. Compositions des Bétons testés Deuxième groupe : Béton à base de sable concassé (Sable Calcaire) Tableau 2. Compositions des bétons testés B1-SC, B2-SC et B3-SC Dosage (kg/m 3 ) B1-SC B2-SC B3-SC Ciment CPJ CEM II/A Granulats 15/ Granulats 5/ Sable concassé 0/ Eau Plastifiant (%) Rapport E/C

26 3.1. Compositions des Bétons testés Troisième groupe : Béton avec 30% de Granulats de Brique Concassée Tableau 3. Compositions des bétons testés B1-BC, B2-BC et B3-BC Dosage (kg/m 3 ) B1-BC B2-BC B3-BC Ciment CPJ CEM II/A 42.5 Granulats 15/25 Granulats 5/15 Granulats de brique concassée 15/25 Granulats de brique concassée 5/15 Sable 0/ Eau Plastifiant (%) Rapport E/C

27 3.2 Constituants du béton Ciment CPJ CEM II/A 42,5 Caractéristiques physiques Poids spécifique (g/cm 3 ) Retrait (µm/m) Gonflement (µm/m) S.S. Blaine (cm²/g) Consistance (%H 2 O) Tableau 4. Principales caractéristiques physiques et mécaniques du ciment [Fiche de qualité, 2013] Début de prise (h:min) Fin de prise (h:min) Exp. à chaud (mm) Refus sur tamis 45 µm (%) 3, , ,3 2h : 06 2h : 56 0,90 14,24 Résistance en Caractéristiques mécaniques compression (MPa) Résistance à la flexion (MPa) Lim. Inf. R. C. à 2 jrs Lim. Inf. R. C. à 28 jrs Lim. Sup. R. C. à 28 jrs 2 jrs 7 jrs 20,98 32,38 28 jrs 44,15 2 jrs 7 jrs 28 jrs 2,51 6,23 7,42 19,03 44,93 53,41 Tableau 5. Composition chimique du ciment [Fiche de qualité, 2013] Eléments Teneur (% ) CaO Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 MgO Na 2 O K 2 O Cl- SO 3 P.A.F Résidus Insolubles CaO Libre

28 3.2.2 Sable Propriétés Sable siliceux 0/5 Sable calcaire 0/5 Masse volumique absolue (g/cm 3 ) Masse volumique apparente (g/cm 3 ) Module de finesse Equivalent de sable (%) Teneur en eau (%) Absorption (%) 2,60 1,70 2,65 85,0 0,35 1,03 2,50 1,64 2,63 53,87 0,20 3, Granulats Propriétés Graviers 15/25 Gravillon 5/15 Granulats de brique concassée 5/25 Masse volumique absolue (g/cm 3 ) 2,61 2,65 2,12 Masse volumique apparente (g/cm 3 ) 1,27 1,28 0,94 Coefficient Los Angeles (%) 21,98 21,98 60,0 Teneur en eau (%) 0,14 0,14 0,13 Absorption (%) 0,57 0,57 8,04 Porosité (%) 1,53 1,53 13,22 19

29 3.3 ESSAI DE CHAUFFAGE 1 h 1 h 1 h 1 h 1 h Dispositifs de chauffage Cycles de chauffage-refroidissement (3 C/min) 20

30 3.4 ESSAIS MACROSTRUCTURAUX Perte de masse Volume apparent Vitesse des ondes ultrasonores Porosité à l eau Essai de flexion Essai de compression 21

31 3.5 ESSAIS MICROSTRUCTURAUX Echelle macro Echelle méso Echelle micro 22

32 3.6. CARACTERISATION DES GRANULATS SOUMIS A HAUTE TEMPERATURE Cycles de chauffage refroidissement Perte de masse Porosité à l eau Masse volumique Coefficient d absorption Observations macroscopiques Cycles de chauffage-refroidissement (10 C/min) 23

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34 4.1 COMPORTEMENT DES GRANULATS A HAUTES TEMPERATURES Observations visuelles 20 C 150 C 250 C 400 C 600 C 900 C Sable Siliceux «SS» Déshydratation de l hydroxyde de fer FeO(OH) qui se transforme en oxyde ferrique (Fe 2 O 3 ) à partir de 300 C [Ingham Ingham, 2009] Granulats Calcaires «GC» Granulats de Brique concassée «GBC» Sable Calcair re «SC» Début de la décarbonatation Granulats thermiquement stables [Kesegic et al., 2008] 24

35 4.1.2 Perte de masse des granulats en fonction de la température Les valeurs de la perte de masse sont négligeables (< 0,2%) pour les cycles de température de 150 C-400 C. GC 1% GC 16% SS 8% Décarbonatation de la calcite (CaCO 3 ), Dégagement de CO 2 [Nyry et al., 2012] SC 4% GBC 1 Perte de masse des différents types de granulats à 700 C, 750 C, 800 C, 850 C et 900 C 25

36 4.1.3 Porosité et Masse volumique des granulats en fonction de la température 41% 32% 69% 174% 5% 16% 26

37 4.2 CARACTERISATION DU COMPORTEMENT DES BETONS A HAUTE TEMPERATURE Perte de masse Domaine 1 Domaine 2 Domaine 3 Domaine 1 Domaine 2 Domaine 3 Domaine 1 Domaine 2 Domaine 3 27

38 4.2.1 Perte de masse Domaine 1 Départ de l eau libre et de l eau capillaire Départ de l eau liée dans les hydrates Domaine 1 Domaine 1 27

39 4.2.1 Perte de masse Domaine 2 Décomposition de la Portlandite Domaine 2 Domaine 2 27

40 4.2.1 Perte de masse Domaine 3 Départ de CO 2 provenant de la décomposition du carbonate de calcium [Xing, 2011] Domaine 3 Domaine 3 27

41 E/C = Perte de masse Au-delà de 400 C, l évolution de la perte de masse en fonction de la température est liée au type de granulats utilisés. La plus grande perte de masse des bétons à base de SC peut s expliquer par le départ de CO 2 provenant des carbonates de calcium. E/C = 0.60 E/C =

42 4.2.2 Porosité à l eau À 150 C, départ de l eau libre sans modification de la microstructure du béton [Noumowé,1995]. À 400 C, départ de l eau liée et l augmentation des dimensions des pores [Noumowé, 1995] [Elalaoui,2012]. Au-delà de 400 C, rupture des cloisons des capillaires [Noumowé,1995] et à la microfissuration [Pliya, 2010]. 29

43 4.2.2 Porosité à l eau E/C = C 150 C B1-BC 4> B1-GO et B1-SC B2-BC 3> B2-GO et B2-SC B3-BC 3> B3-GO et B3-SC B1-BC 2> B1-GO et B1-SC B2-BC 1.7> B2-GO et B2-SC B3-BC 1.7> B3-GO et B3-SC E/C = 0.60 E/C =

44 4.2.3 Densité A 150 C : Dapp < 2% Au-delà de 150 C : faible diminution Dapp Départ de l eau liée [Mindeguia, 2009] 31

45 4.2.3 Densité B-GO et B-SC : diminution de 8% à 600 C 17% à 900 C B-BC : diminution de 3% à 600 C 9% à 900 C E/C = 0.27 E/C = 0.60 E/C =

46 4.2.4 Volume apparent des éprouvettes Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation 33

47 4.2.4 Volume apparent des éprouvettes Vapp < 2% Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation 33

48 4.2.4 Volume apparent des éprouvettes A 900 C, l augmentation duvapp est : 3,4% - 4,8% pour B-GO 3,1% - 5,3% pour B-SC 0,6% - 1,9% pour B-BC Génération des macro-fissures engendrée par les incompatibilités de déformation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation Phase 1 Contraction Phase 2 Dilatation 33

49 4.2.4 Volume apparent des éprouvettes E/C = 0.27 Vapp du B-BC < 2% (de 20 C à 900 C) GBC ont un faible coefficient de dilation thermique lorsqu ils sont soumis à HT [Kesegic et al., 2008]. E/C = 0.60 E/C =

50 4.2.5 Vitesse des ondes soniques Bonne Qualité Bonne Qualité Bonne Qualité 35

51 4.2.5 Vitesse des ondes soniques Décomposition du CSH L augmentation des volumes poreux L endommagement de la microstructure 35

52 4.2.6 Résistance en Compression INTRODUCTION Domaine Domaine 1 2 Domaine 3 [Hager, 2004] [Kanema, 2007] [Fares, 2009] [Mindeguia, 2009] Domaine Domaine 1 2 Domaine 3 Domaine Domaine 1 2 Domaine 3 36

53 4.2.6 Résistance en Compression INTRODUCTION Domaine 1 Dilatation thermique de l eau L apparition de Micro-défauts [Hager, 2004], [Mindeguia, 2009] B1-BC : 15% - 17% B2-BC : 13% - 23% B3-BC : 5 % - 10% Domaine 1 B1-GO : 6% - 10% B2-GO : 3% - 9 % B3-GO : 3% - 7 % Domaine 1 B1-SC : 11% - 12% B2-SC : 7 % - 10% B3-SC : 17 % 37

54 4.2.6 Résistance en Compression Hydratation supplémentaire de la matrice cimentaire [Dias,1990], [Kanema, 2007] et [Fares,2009]. Le Départ de l eau du matériau réaugmente les forces d attraction entre les feuilles de CSH [Hager,2004] et [Mindeguia,2009]. Domaine 2 B3-BC : 16% Domaine 2 B1-GO : 2% B2-GO : 4% B3-GO : 2% Domaine 2 B2-SC : 2 % B3-SC : 7 % 37

55 4.2.6 Résistance en Compression INTRODUCTION Domaine 3 Dégradation conjuguée de la matrice cimentaire et des granulats. Affaiblissement de la matrice cimentaire [Pliya,2010], [Hager, ]. B1-BC : 28% B2-BC : 25% B3-BC : 3 % B1-BC : 73% B2-BC : 74% B3-BC : 80% Domaine 3 B1-GO : 13% B2-GO : 13% B3-GO : 35% Domaine 3 B1-BC : 13% B2-BC : 20% B3-BC : 22% B1-GO : 80% B2-GO : 92% B3-GO : 84% B1-BC : 84% B2-BC : 88% B3-BC : 86% 37

56 4.2.6 Résistance en Compression Diminution B-SC 30% B-BC 29% Amélioration B-SC 30% B-BC 29% E/C = 0.27 E/C = 0.60 E/C =

57 4.2.7 Résistance en Flexion D 1 D 2 Domaine 3 D 1 D 2 Domaine 3 39

58 4.2.7 Résistance en Flexion Diminution 38% - 47% 39

59 4.2.7 Résistance en Flexion Quasiment constante 39

60 4.2.7 Résistance en Flexion L augmentation de la porosité Déshydratation du gel de CSH Propagation des microfissures Détérioration des liaisons créées entre les granulats et la pâte de ciment [Fares, 2009] Diminution de plus de 60% 39

61 4.3 OBSEVATIONS DE L ENDOMMAGEMENT DES BETONS SOUMIS À HAUTES TEMPERATURES Observations macroscopiques des dégradations des différents bétonsaprès le refroidissement B-GO : Densité de fissure très importante B-BC : les bétons les moins fissurés B-SC : Densité de fissure très importante 40

62 Création des microfissures à partir des pores Les microfissures s interconnectent entre elles a/ B3'-GO/250 C b/ B3'-GO/400 C c/ B3'-GO/600 C 41

63 a/ B3-GO/400 C b/ B3-BC/400 C Fissures Transgranulaires passent à travers les granulats c/b3'-go/400 C ZOOM Fissures Intergranulaires la rupture qui contourne les granulats 42

64 ECAILLAGE Détachement de la matière B2-SC/900 C B2-GO/900 C B2-GO/900 C 43

65 900 C Blanchiment des Granulats Calcaire 44

66 4.3.2 Évolution de la fissuration du béton avec la température Différence des directions de la déformation thermique de la PDC et les Granulats [Hager,2004], [Pliya,2010] 45

67 4.3.3 Observationsau MEB 150 C 250 C 400 C 600 C 46

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69 Granulats Calcaires : Intacts jusqu à 600 C Décarbonatation à partir de 700 C Une perte de masse très importante Porosité faible mais des évolutions très importantes Diminution de la masse volumique faible GRANULATS Granulats de Brique Concassées : Aucun endommagement visible à l œil nu ou changement de couleur de 150 C jusqu à 900 C Une porosité très importante mais des évolutions moins importantes Une perte de masse négligeable (1 à 900 C) Sable Siliceux : Un rougissement léger à partir de 400 C Une perte de masse très importante que SC Sable Calcaire : Une perte de masse moins importante que SS 47

70 BETONS Trois zones de départ d eau du béton ont été distinguées : 20 C C : importante perte de poids due au départ de l eau et l eau liée aux hydrates. 400 C C : la cinétique de perte de masse ralentie. 600 C C : augmentation de la perte de masse due au départ de l eau fortement liée. La perte de masse des bétons contenant des GBC est plus faible que les autres bétons. La porosité du béton augmente rapidement au-delà de 150 C. 20 C C : La porosité des bétons contenant des GBC est plus forte que celle des autres bétons. A partir de 400 C, Les bétons contenant des GBC présentent la porosité la plus faible. Faible diminution de la densité apparente des différents bétons avec l augmentation de la température. La diminution de la densité apparente des B-BC est plus faible que les autres bétons après exposition aux différentes températures. Augmentation du volume apparent des éprouvettes au-delà de 400 C. La variation du volume apparent des B-BC est moins importante par rapport aux autres bétons (< 2%). Diminution progressive de la vitesse des ondes soniques avec l élévation de la température. Cette diminution ne dépend pas fortement du type de granulats utilisés. 48

71 BETONS La résistante de compression évolue suivant trois domaines : 20 C C : légère diminution de la résistance. 250 C C : ré-augmentation partielle de la résistance. 400 C C : forte baisse de la résistance en compression. L influence du Sable Concassé et des Granulats de Brique Concassée sur la résistance en compression du béton dépend du rapport E/C ( C). E/C = 0.6 : amélioration de la résistance en compression. Faible E/C : diminution de la résistance en compression. Bétons de granulats ordinaires & Bétons de sable concassé: fissures très nombreuses, longues et ouvertes. Bétons contenant des GBC : fissures moins nombreuses et moins ouvertes. Cette étude montre qu il y a non seulement influence de la compacité de la matrice cimentaire sur l évolution des propriétés physiques et mécaniques du béton avec la température, mais aussi que le rapport E/C et le type de granulats jouent un rôle important L utilisation des Granulats de Brique Concassée améliore les propriétés physiques des bétons et la Résistance en compression du béton ordinaire lorsqu ils sont portés à une forte température 49

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