Détermination expérimentale des performances de différents enduits de protection incendie du béton C. Lanos, C. Baux, Y. Mélinge LGCGM EA 3913 Equipe MT-Rhéo Rennes, France. Christophe.lanos@univ-rennes1.fr
Comportement de l acier face au feu Conductivité thermique élevée échauffement rapide Perte de caractéristiques mécaniques limite élastique module d Young Temps de stabilité au feu très courts (15 à 30 min) 2
Conductivité thermique Résistance mécanique Chaleur spécifique 3 300 C 450 C
Comportement du béton face au feu Conductivité thermique réduite échauffement lent Faible perméabilité à la vapeur Perte de caractéristiques mécaniques limite élastique module d Young Mise en pression d eau libérée par le liant hydraulique éclatement de parement mise à nu des armatures Temps de stabilité au feux moyens (60 min) Tunnel sous la Manche
Mise sous pression de la vapeur Résistance mécanique 300 C
Conductivité thermique apparente Chaleur spécifique Perméabilité au gaz 200 C 6
Variation pondérales 200 C Les hydrates du béton sont modifiés par la température La modification de la microstructure est très importante Pénalisation de l ensemble des paramètres physico-chimiques
Béton armé exposé directement au feu Ecaillage, assouplissement et chute des résistances (armature et béton) Paramètres influents: Enrobage Teneur en eau Perméabilité/porosité Gradient thermique, T(t) Critères de performance : Température dans les aciers Température du béton
Mise en place d une protection: Objectifs Augmenter la tenue au feu en interposant une couche isolante (ELU) - Satisfaire les critères limites en température, - Réduire ou éradiquer le risque d écaillage. Permettre d envisager la remédiation (ELS) - Réduire la température au sein du béton, - Concentrer un gradient thermique élevé en face exposée, - Augmenter la perméabilité sur la face exposée.
Protection formées par un écran inorganique - Matériaux à forte - Matériaux isolants Chaleur latente endothermique masse volumique limitée (déshydratation ou décarbonatation) 200 C hydroxyde de magnésium 400 C hydroxyde de calcium 150 C gypse 80 C composés à base de bore 300 C hydrates d aluminium 900 C carbonate de calcium 600 C silicate de calcium hydratés Sous forme d enduits En panneaux préfabriqués 10 vermiculites Argiles expansée Fibres naturelles Fibres de verre Fibres de roche Silicates de calcium
Comparaison du comportement thermique de différents écrans Sollicitation thermique de type ISO 834 Silicates de calcium 500kg/m 3 52mm λ= 0.10W/m C Silicates de calcium 300kg/m 3 2x35mm λ= 0.11W/m C Gypse 1100kg/m 3 46mm λ= 0.36W/m C 11
Techniques de pose panneaux Protection fixée sur une dalle BA Coulage en fond de moule 12
projection Premix sec Malaxage-mise sous pression Projection par association à un jet d air Protection structure béton Protection dalle béton (mise en place d un renfort) 13
Pertinence de la mise en place d une protection: Exemples Eléments horizontaux type dalle Protection : - enduit minéral - liant hydraté - charges minérales allégeantes - dosage en eau adapté selon la technique de mise en œuvre
Validation à l échelle de la structure dalle de béton armé : ep = 14 cm protection minérale : 6 mm sollicitation ISO 834 (EN 1363-1) + sollicitation mécanique Avant essai Après essai petits désordres locaux stabilité de la protection non compromise durant l essai
600 T ( C) dalle alvéolaire 1,50 m x 1,20 m ep = 25 cm Protection minérale : 10 mm sollicitation ISO 834 500 400 300 interface 200 armatures 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 t (min) stabilité de la protection non compromise durant l essai
600 T ( C) dalle alvéolaire 6,00 m x 3,00 m ep = 25 cm Protection minérale : 10 mm sollicitation ISO 834 + sollicitations mécaniques 500 400 armatures dans une zone où la protection est tombée 300 200 100 armatures dans une zone où la protection est en place 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Perte de stabilité (protection de la protection tombée à 13 13 minutes mm t (min)
modification de la structure poreuse ce qui affecte : - les transferts de masse et de chaleur - les propriétés mécaniques Eléments de caractérisation d une protection Protection minérale exposée au feu modification de structures cristallines des composés décomposition des hydrates ou des carbonates variations de volume potentiellement très importantes Base xonotlite Avant exposition au feu Après 4 h à 1250 C modifications du transfert thermique en raison des chaleurs latentes associées aux changements de phases
Exemples de pathologies (Sollicitation de type HCM) Faïençage et retrait Chute de la protection Fissuration répartie Fissure localisée Fusion après chute de protection Vitrification et fusion
Tests de laboratoire four conique ouvert flamme gaz propane température de flamme constante : 850 C Echantillon : dallette de béton préfabriquée (150 mm x 150 mm x 35 mm) protection: épaisseur 10 mm conservation 28 jours en salle 20 C sans régulation HR
Métrologie et enregistrement Thermocouples type K et S : face chaude interface protection-béton face froide
Campagne expérimentale enduits : 1000 kg/m 3 < masse volumique < 1600 kg/m 3 - ciment portland - sulfate de calcium (anhydrite) - charges de type alumino-silicates (différents grades) d entraîneur d air (acide gras amino alkyl betaïne ou sodium lauryl sulphate) charges allégeantes type vermiculite (différents grades) Constituants - Ciment CEMII/A-LL 42,5 Calcia Ranville - Ciment blanc CEM I 52,5 R Aalborg - Sulfate de calcium : Kerysten - ratio liant/charge = 1/2 - différents ratios ciment/kerysten - dosages en eau et en adjuvant entraîneur d air ajustés masse volumique cible rhéologie
Performances mécaniques résistance (MPa) 100 traction Compression C/K croissant 10 Décollement rapide Introduction vermiculite 1 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Masse volumique (kg/m3) Rt/Rc élevés Tendance de type exponentielle ρ élevé = décollement précoce au feu
Influence de la nature du ciment compatibilité avec entraineur d air 9 Résistance (MPa) 8 7 6 Aalborg 5 4 Calcia Ranville 3 2 1 0 1320 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 masse volumique (kg/m3) Résultats cohérents avec la classe des ciments Sensibilité à l entraineur d air différentes
Température interface et face froide à 120 minutes température ( C) 350 300 250 200 interface face froide 150 100 50 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Masse volumique (kg/m3) Légère tendance à la croissance de T interface avec ρ Pas de relation claire à la formulation
Température interface et face froide à 120 minutes délais pour atteindre 180 C (s) 30 60% C - 40% K 25 20 80%C - 20%K 15 10 5 0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 masse volumique (kg/m3) - délai pour atteindre 180 C compris entre 15 et 30 minutes - influence de ρ réduite pour 1000 < ρ <1200 kg/m 3 - dosage élevé en Kerysten favorable à ρ constant - Nature du ciment sans influence (en dehors de ρ)
Réponse d une protection à formulation optimisée flamme gaz propane température de flamme constante : 1150 C Echantillon : protection: ép 70 mm - Changement de phase «basse température» - Gestion du retrait KK 643 kg/m 3 KF 607 kg/m 3
Synthèse et conclusions Effet d une protection : allongement des durées de tenue au feu réduction des température dans le béton Optimisation d une protection : - masses volumiques trop importantes = échec une masse volumique de 1600 kg/m 3 constitue une limite - utilisation de liant présentant des chaleurs liées aux changements de phases importantes favorable au rendement de la protection défavorable à la résistance de la protection défavorable aux variations de volume de la protection - lien formulation / comportement des échantillons vis-à-vis du transfert thermique pas directement identifiable - paramètre le plus informatif = la masse volumique -masses volumiques entre 1100 kg/m 3 et 1600 kg/m 3 préférables - compromis possible en ciblant une composition «légère» ou «lourde»
Merci de votre attention