1.3
Comportement `a haute temp´erature
L’´el´evation de temp´erature entraˆıne des ph´enom`enes tr`es compliqu´es dans le b´eton, dont la pr´evision s’av`ere plutˆot difficile `a cause de son h´et´erog´en´eit´e. En particulier, la simple prise en compte des propri´et´es thermiques (conductivit´e thermique, chaleur sp´ecifique) n’est pas suffisante pour d´ecrire de mani`ere satisfaisante le comportement du b´eton. Il est donc n´ecessaire de prendre en charge les ´ecoulements des esp`eces fluides (air sec, eau liquide, eau vapeur), les transferts d’´energie ainsi que les ph´enom`enes d’hydratation et de d´eshydratation. Un chauffage entraˆıne aussi dans le b´eton de forts changements au niveau de sa micro- structure, changements qui entrainent une modification des propri´et´es m´ecaniques et de transport.
Pour d´ecrire de mani`ere au moins qualitative les ph´enom`enes qui ont lieu dans le b´eton suite `a une ´el´evation de temp´erature, on prend en consid´eration une paroi en b´eton dans des conditions initiales standard i.e. temp´erature ambiante et pression atmosph´erique. En g´en´eral on peut imaginer de petites diff´erences de temp´erature d’un cot´e `a l’autre de la pa- roi (diff´erence de temp´erature externe-interne), un taux d’humidit´e et d’hydratation le long l’´epaisseur de la paroi non parfaitement homog`ene `a cause de la chaleur relˆach´ee pendant la maturation du b´eton i.e. on peut imaginer plus d’hydratation `a l’int´erieur du mur. Dans ce cadre, les ph´enom`enes d’adsorption-d´esorption sont importants : `a temp´erature ambiante l’adsorption r`egle le contenu d’eau dans le b´eton.
Lorsque l’on commence le chauffage, on observe une augmentation de la temp´erature du cot´e chaud. L’humidit´e dans le b´eton, sous forme d’eau liquide et d’eau vapeur, se d´eplace
vers la zone froide de la paroi par diffusion. Lorsque on d´epasse la temp´erature de 100◦C,
l’eau commence l’´ebullition. La vapeur se d´eplace vers les zones froides : on peut observer de la condensation. La chaleur latente requise pour l’´ebullition de l’eau retarde l’augmentation de temp´erature jusqu’`a la compl`ete ´ebullition de l’eau dans la portion de b´eton int´eress´ee. En mˆeme temps, la vapeur qui condense dans la zone froide est absorb´ee par le b´eton qui est int´eress´e par une nouvelle hydratation : l’eau libre, en fait, peut se lier avec du ciment non-hydrat´e. G´en´eralement dans cette phase on observe une am´elioration des propri´et´es m´ecaniques du b´eton `a cause de la formation de nouveaux C-S-H. L’adsorption-d´esorption est d´ecrite `a travers des courbes isothermes d´etermin´ees de mani`ere exp´erimentale : ces courbes lient l’humidit´e adsorb´ee par le milieu poreux (principalement la saturation) `a l’hu- midit´e de l’ambiance externe (i.e. `a la pression capillaire comme on verra plus loin) `a une certaine temp´erature.
L’augmentation de la temp´erature, entraˆıne aussi un autre ph´enom`ene dans le b´eton : la
d´eshydratation. A partir de la temp´erature conventionnelle de 105◦C, les liaisons chimiques
qui forment le C-S-H commencent `a se d´etruire, en transformant le produits hydrat´es en pro- duites anhydres et eau. L’eau libre qui est relˆach´e dans le b´eton se vaporise, en absorbent de la chaleur. La r´eaction de d´eshydratation concerne progressivement plusieurs produits hydrat´es qui forment le b´eton, selon la temp´erature atteinte : d`es que la temp´erature aug- mente, on obtient de plus en plus d’eau libre dans le b´eton et donc de plus en plus d’eau qui se vaporise. La vaporisation, ´etant une r´eaction endothermique, influence le chauffage du b´eton tout en ralentissant la propagation de la chaleur.
Suite aux ph´enom`enes de diffusion, l’eau libre a tendance `a se d´eplacer vers les zones froides du b´eton. Comme le b´eton, et en particulier le b´eton `a hautes performances (BHP), a une tr`es faible perm´eabilit´e, le m´elange eau liquide-vapeur ne peut pas s’´echapper rapidement vers les zones froides. De plus, la formation d’eau suite `a la d´eshydratation est plus rapide que la fuite du m´elange eau liquide-vapeur. Le r´esultat de la combinaison de ces deux ef-
fets est que la pression dans les pores augmente et peut atteindre des valeurs de l’ordre de quelques atmosph`eres. On observe aussi que le pic de pression se d´eplace de plus en plus vers le cot´e froid de la paroi en augmentent progressivement sa valeur. L’augmentation de la pression du gaz dans le pores du b´eton est aussi `a la base du ph´enom`ene du spalling (ou ´ecaillage) qui cause le d´ecollement de la couche externe du mat´eriau (voir fig.1.1).
Fig. 1.1 – M´ecanisme du spalling
Quand on atteint des temp´eratures suffisamment ´elev´ees, les agr´egats ne se comportent
plus comme ”inertes”. Par exemple, les agr´egats `a base de carbonate, entre environ 660◦C
et 980◦C, passent du carbonate de calcium `a l’oxyde de calcium et dioxyde de carbone. Pour
le carbonate de magn´esium on observe une r´eaction similaire entre 740◦C et 840◦C. Dans
le deux cas, les r´eactions chimiques sont endothermiques et absorbent chaleur : le chauffage est donc retard´e.
Transport Les propri´et´es de transport sont fortement affect´ees par l’´el´evation de temp´erature. La d´eshydratation entraˆıne une destruction chimique de la pˆate de ciment, autrement dit les pores dans le b´eton augmentent de taille i.e. on augmente la porosit´e. En plus `a cause des contraintes m´ecaniques, on observe de la micro-fissuration de la pˆate de ciment. On obtient donc comme r´esultats un mat´eriau moins dense, avec une perm´eabilit´e plus ´elev´ee et donc une modification des propri´et´es de transport de la chaleur et de la masse. En ce qui concerne les ph´enom`enes de transport de masse, on a parl´e de diffusion. Dans ce cas, les ph´enom`enes sont r´egl´es par la loi de Fick. Avec cette loi, un flux de masse est entraˆın´e par une gradient de concentration unitaire et fait intervenir un coefficient de diffusion. D`es qu’on parle des flux caus´es par un d´es´equilibre de pression, on fait intervenir un autre concept, la notion de perm´eabilit´e. Dans ce cas, le ph´enom`ene est r´egl´e par la loi de Darcy. En ce qui concerne le transport d’´energie, il faut prendre en compte le flux de chaleur et, dans la formulation la plus g´en´erale, l’enthalpie multipli´e la d´eriv´ee de la masse i.e. la quantit´e de masse qui est ´echang´ee entre les phases dans l’unit´e de temps (voir chapitre 2).