Influence d un ajout sur le comportement mécanique des bétons à haute performance soumis à des températures élevées. N. Tebbal 1, Z. Rahmouni 2, M. Belouadah 3 1 Université de M sila, Algérie, tebbalnadia@yahoo.fr 2 Université de M sila, Algérie, rahmouniz@yahoo.fr 3 Université de M sila, Algérie, sara_belw@yahoo.fr RÉSUMÉ. Cet article présente les résultats de l étude de l effet de l ajout d une fumée de silice sur le comportement mécanique des BHP soumis à des températures élevées. Les bétons testés sont formulés avec 5% de fumée de silice et deux dosages de superplastifiant (1,5% et 2%). Des éprouvettes ont été préalablement exposées à quatre températures, 200, 400,600 et 900 C sans paliers intermédiaires, le cycle de mûrissement étant de 24 heures. Les résultats obtenus montrent que la résistance mécanique à 28 jours augmente avec les températures 200 et 400 C, par contre une diminution est constatée pour 600 et 900 C. Toutefois, la composition des bétons semble avoir de grande influence sur la résistance mécanique. MOTS-CLÉS : Béton à haute performance, Fumée de silice, Température élevée, Résistance mécanique ABSTRACT.This study examines the effect of the addition of smoked silica on the mechanical behaviour of HPC at high temperatures. the latter can react with the lime Concretes tested are formulated with 5% silica fume with two dosages of superplasticizers 1.5% and 2%. The test have been previously exposed to four maximum temperatures, 200, 400C,600 and 900C without intermediate level, the ripening cycle 24 hours in total. The results obtained show that the 28-day strength increases with the degree of temperature relative to that measured at 20C. A con by a clear decrease is observed between 600C and 900C. However, material composition seems to have great influence on the mechanical strength KEY WORDS: High performance concrete, silica fume, high temperature, mechanical.
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 2 1. Introduction L utilisation des bétons à haute performance (BHP) a permis d élargir le domaine d'emploi des bétons. Grâce à une porosité limitée, une grande durabilité, des qualités rhéologiques et des propriétés mécaniques remarquables, l emploi des BHP se développe fortement. Cependant, lorsqu ils sont soumis à des températures élevées comme lors d un incendie ou d un accident nucléaire, ces bétons denses et compacts peuvent présenter des écaillages, des éclatements voire manifester un comportement explosif. Durant ces dernières années de nombreuses recherches ont été entreprises pour comprendre le comportement du béton à haute température. Les travaux de Malhotra, Wilson et Painter, 1989 [MAL 89] étaient de déterminer l'influence des fumées de silice sur le comportement à haute température des bétons. Les essais ont été réalisés sur 8 compositions de bétons différentes, 4 valeurs de E/C ont été testées : 0.23, 0.35, 0.5 et 0.71. Pour chaque rapport E/C, deux bétons ont été étudiés avec et sans fumée de silice. La fumée de silice n'a pas été utilisée en remplacement du ciment mais a été ajoutée à raison de 8 % de la masse de ciment. Le sable était un sable naturel (Ottawa Valley). Le granulat de diamètre maximum de 19 mm était un granulat concassé. Les auteurs ne précisent pas la nature minéralogique de ces agrégats. Un superplastifiant, condensât de naphtalène sulfonée formaldéhyde a été utilisé dans toutes les compositions. Le premier constat important qui apparaît à l'analyse de résultats obtenus par Malhotra, et al.1989 [MAL 89] est l influence significative de l ajout de fumée de silice sur la résistance relative des bétons avec E/C faible (0,35 et 0, 23). Ces résultats ne sont pas en accord avec ceux de Diederichs et al (1992) [DIE92]. Dans les recherches réalisées par Papayianni et Valiasis, 1991 [VAL 91], il a été montré, que le remplacement de 40% du ciment Portland par des cendres volantes, provoque une plus forte réduction de la résistance en compression pour les températures 200, 400, 600 et 800 C. La présente étude porte sur l effet de l ajout de fumée de silice sur le comportement mécanique de trois formulations de bétons à haute performance à températures élevées. Quatre températures, 200, 400, 600 et 900 C ont été appliquées aux éprouvettes sans paliers intermédiaires, le cycle de mûrissement étant de 24 heures au total. 2. Etude expérimentale Le béton étudié est un béton de haute résistance, préparé avec un ciment Portland CPJ CEM II/A 42,5MPa de la cimenterie ACC (M sila) et des granulats calcaires d une dimension maximale de 16 mm. Les caractéristiques chimiques et minéralogiques du ciment utilisé sont données dans le tableau 1.
Influence d un ajout sur le comportement mécanique des BHP soumis à températures élevées 3 Tableau 1. Analyse chimique du ciment CPJ CEM CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO K 2 O Na 2 O SO 3 IIA 42,5 Teneur 62,92 /// 4,75 3,75 1,9 0,85 0.09 1,98 en (%) Les granulats utilisés pour la confection des bétons dans cette recherche sont : un gravier (G1) de classe granulaire 3/8 mm, un gravier (G2) de classe granulaire 8/15, un sable siliceux naturel (0/5) avec un module de finesse MF1 = 2.12. On n a pas pris en considération la nature et les propriétés mécaniques des granulats utilisés. L adjuvant utilisé est un retardateur de prise, appelé PLASTIMENT BV40; de nouvelle génération. Pour bétons à haute résistance, conforme à la norme ASTMC 494 type A. La Fumée de silice (MEDAPLAST HP) est de densité égale à 2.2. La composition du béton étudié est présentée sur le Tableau 2. Tableau 2. Composition du béton étudié Béton (kg/m 3 ) Graviers (3/8) et (8/15) Sable Ciment Eau Fumée de silice (%) Béton témoin 1090 662 400 220 0 BHP 2 1041.6 645 443.65 119.12 5 BHP 1,5 1041.6 661.9 443.65 122.3 5 BHP 2 : BHP formulé avec 2% de super plastifiant BHP 1,5 : BHP formulé avec 1,5 % de super plastifiant Pour notre étude, nous avons confectionné des éprouvettes cubiques (100x100x100) mm 3 et après conservation dans l eau à une température de 20 ± 2 C
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 4 pendant 28 jours, les éprouvettes ont été exposées à l air libre dans le laboratoire et étuvées par la suite dans une étuve à 105 C pendant plusieurs jours jusqu à stabilisation de leurs masses. Cette phase de pré séchage a pour but de faire partir l eau libre présente dans les éprouvettes du béton. Finalement les éprouvettes ont été exposées à des hautes températures variants de 200 C à 900 C avec une vitesse de la montée en température de 10 C/min et un maintien en température dans le four à moufle pendant 1 heure. 3. Résultats et discutions 3.1. Perte de Masse du Béton en Fonction de la Température Avec l augmentation de la température, nous avons noté des pertes de masse des éprouvettes testées, ceci est due à l évaporation de l eau et à la déshydratation progressive du gel CSH. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure. 1. 14 12 Perte de masse ( % ) 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 Température (C ) BHP1,5 BHP2 Figure 1. Évolution de la perte de masse en fonction de la température Les pertes de masse augmentent lorsque la température augmente. Elles passent de 3% à 12% après une exposition à 200 C et à 900 C respectivement. Cette augmentation est quasi linéaire jusqu à une température de 600 C. Ceci est du à l évaporation de l eau. Plusieurs auteurs; Noumowé 1995[NOU 95], Tsimbrovska 1998 [TSI 98], etc., confirment qu au-delà de 600 C il ne reste plus d eau dans l éprouvette du béton.
Influence d un ajout sur le comportement mécanique des BHP soumis à températures élevées 5 3.2. Résultat de l Écrasement du Béton après le refroidissement La Figure 2 montre le rapport de la résistance à la compression en fonction de la température par rapport à la résistance initiale du béton HP à température ambiante. À 200 C, une diminution de 4% dans la résistance à la compression du béton a été enregistrée. Nous observons un pic de contrainte à 400 C indiquant une valeur maximale de la résistance à la compression du béton écrasé après le refroidissement. On peut expliquer ces résultats par le fait que c est l eau non évaporable (notamment chimiquement liée dans les hydrates), qui participe à l établissement des pressions internes qui jouent un rôle de précontrainte et par ceci à une augmentation de la résistance à la compression au alentour de 400 C. Au-delà de 400 C, le rapport de la résistance à chaud diminue quasi linéairement jusqu à une résistance nulle lorsque la température de chauffage dépasse 900 C. Les éprouvettes chauffées à 600 C ont perdu 10% de leurs résistances initiales. Ainsi, le béton chauffé à 900 C à perdu environ 75% de sa résistance. Les travaux menés par Kalifa et al. 2001[KAL 01] ont montrés le rôle de l eau sur le comportement du béton à haute température. Des valeurs de pression observée dans un BHP de 100 MPa ont été de 4MPa à seulement 3 cm de profondeur de la face chauffée au alentour de 250 C. Ce qui explique encore la force de précontrainte provoquée par la dépression d eau décrite par Burlion et al. 2005[BUR 05]. Rc (MPa ) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 BHP1,5 BHP2 20 200 400 600 900 Température ( C ) Figure 2. Résistance à la compression après refroidissement par rapport à la résistance initiale
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 6 Rc (MPa ) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 200 400 600 900 Temperature (C ) BHP2 Bt2 Figure 3. Résistance à la compression de BHP2 par rapport au béton témoin 3. 3. Influence de taux d adjuvant et de la fumée de silice sur la résistance mécanique 3.3.1. Influence de taux d adjuvant A 900C on remarque une chute de résistance pour les bétons avec 1,5% d adjuvant et un éclatement du béton pour ceux dosés à 2%. Ceci peut s expliquer par : - Les bétons adjuvantés présentent des résistances élevées. Le rôle du super plastifiant dans la distribution des grains de ciment et l amélioration de la compacité du béton est mis en évidence. les bétons adjuvantés sont affectés par les hautes températures surtout au delà de 600C en comparaison avec ceux moins de dosage en super plastifiant ; - La chute de résistance est estimée à 75% pour les BHP avec 1,5% de superplastifiant exposés à une température de 900C, par contre elle est nulle pour les bétons ordinaires. Ceci s explique par le fait que les super plastifiants peuvent être détruits et ils ne peuvent plus jouer leur rôle une fois le béton exposé aux fortes températures. - En plus les bétons adjuvantés présentent une grande masse volumique et une faible perméabilité, ce qui ne permet pas à la vapeur d eau de s échapper ce qui accélère l éclatement du béton. - Les BHP présentent une résistance supérieure à celle du béton ordinaire, cela est du à l'augmentation du dosage en ciment et la diminution du
Influence d un ajout sur le comportement mécanique des BHP soumis à températures élevées 7 dosage en fumée de silice. A 600C les deux bétons ont un comportement similaire. 3.2.2. Influence de la fumée de silice sur la résistance mécanique Par cette partie de l étude nous voulons mettre en évidence l influence de la fumée de silice sur le comportement mécanique des BHP. Après le passage au four, les éprouvettes de béton ont été refroidies pendant 24 heures dans le laboratoire à une température de 20 ± 2 C, avant de les écraser. Les résultats obtenus confirment l'existence d'une interaction entre la fumée de silice et le ciment. Si la dose de la fumée de silice est plus faible ou nul ; la température devient préjudiciable sur le comportement mécanique des BHP. Une chute de résistance de 10% est notée entre 200C et 400C ce qui confirment les résultats de Malhotra, et al. En effet, la présence de la fumée de silice (5% de poids de ciment) a entraîné une augmentation significative de la résistance de compression. Les bétons avec fumée de silice ont une grande résistance à la compression par rapport au béton témoin, cela est dû au rôle du super plastifiant dans la distribution des grains de ciment et l'amélioration de la compacité du béton. Tous ces résultats peuvent être expliqués par la possibilité d apparition des conditions favorisant les réactions hygrothermiques dans les bétons denses. Rappelons que les réactions hygrothermiques conduisent aux transformations des hydrates CSH en formes plus ou moins résistantes. L ajout de la fumée de silice (SiO2) diminue le rapport C/S de la pâte et entraîne la création d hydrates moins résistants. 4. Conclusion Sur la base des résultants obtenus nous pouvons établir des conclusions concernant le comportement du béton a haute performance soumise à des températures élevées : - Suite aux résultats obtenus par des essais d écrasement réalisés après refroidissement, nous avons constaté une dégradation progressive de la résistance à la compression du béton en fonction de la température. - Les pics de résistance à environ 400 C, indiquent que le béton chauffé est sujet à une augmentation de la pression interne dans le béton qui peut jouer un rôle de précontrainte. - Les pertes de masses mesurées à 600 C et à1000 C sont plus grandes que la masse de l eau de gâchage initiale contenue dans le béton qui est de l ordre de 9% de la masse totale du béton. Nous pensons que cette différence est due peut être à la
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 8 décarbonatation du béton ou d autres gaz qui s échappent du béton pendant le chauffage. - La disparition de l eau est à l origine des principales dégradations et donc à l endommagement de la structure du béton. - L ajout de la fumée de silice diminue le rapport C/S de la pâte et entraîne la création d hydrates moins résistants. 5. Bibliographie [ALB 01] Albert Noumowe &Christophe Gallé, Study of high strength concretes at raised temperature up to 200 C : thermal gradient and mechanical behaviour, Smirt 16, Washington DC, August 2001. [BOU 91],E. Bourdarot, Application of a porodamage model to analysis of concrete dams, Note EDF/CNEH, 1991. [ BUR 05] Burlion N., Bourgeois F. & Shao J. F. 2005, Effects of desiccation on mechanical behaviour of concrete, Cement and Concrete Research, 27, pp. 376-379 [ BAZ 94 ].Z.P. Bazant &t M. Jirasek, Nonlocal model based on crack interactions : A localization study, J. of Engrg. Materials & Technology (ASME) 116 (1994) 256-259. [ BAZ 96 ].Z.P. Bazant & M.F. Kaplan, Concrete at high temperatures, Material properties and mathematical models, Longman House, Burnt Mill, England, 1996. [BAZ 98].Z.P. Bazant & J, Planas, Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials, CRC Press LLC, 1998. [BAZ 04].Z.P. Bazant, Introduction aux effets d échelle sur la résistance des structures, Lavoisier, 2004. [BEN 93].A. Benallal, R. Billardon & G. Geymonat, Bifuracation and rate-independent materials, in: Bifurcation and stability of dissipative systems, CISM Lecture Notes 327, Springer (1993) 1-44. [ DIE 89] Diederichs, U., Jumppanen, U. M. and Pentalla, V., 1992. Behavior of high strength concrete at elevated temperatures. Espoo 1989. Helsinki University of Technology, Department of structural Engineering, Report 92 p 72. [DWA 09], M.B.Dwaikat & V.K.R.Kodur, Hydro thermal model for prediction fire induced spalling in concrete structural systems, Fire safety Journal, (2009), 423-434.
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