déformations thermiques empêchées (Figure 39) – Ulm, Coussy, Bazant,1999 [197] a montré que la dilatation thermique empêchée, génère des contraintes internes en

compression dans la direction parallèle à la surface soumise au feu. Selon ces auteurs, c’est cette compression qui provoque la fissuration, tandis que les pressions internes dans la structure ne jouent qu’un rôle secondaire en influençant l’éclatement après localisation des déformations. Cette hypothèse est cohérente dans le sens où les BHP présentent un risque d’écaillage plus élevé que le béton ordinaire à cause de leur faible ductilité en compression [197].

Nous pouvons aussi citer les paramètres qui influencent indirectement sur l’apparition de l’éclatement :

− Utilisation des adjuvants et des additifs : les superplastifiants, la fume de silice (densification de la structure du matériau → faible porosité)

− Utilisation des granulats légers d’une grande porosité, qui peuvent contenir de l’eau (→ présence d’eau → pression de vapeur d’eau)

− Vitesse de montée en température importante, provoquant des gradients thermiques (→ contraintes thermiques)

− Traitement thermique du type autoclavage qui augmente fortement les risques d’éclatement [204], (densification de la structure du matériau → faible porosité) − Nature de la structure qui peut avoir une forte influence sur le fait que l’éclatement va

se manifester. Nous pouvons citer l’exemple très marquant des tunnels, où le béton dans les voussoirs reste dans des conditions humides avec une teneur en eau élevée favorisant l’éclatement en cas d’incendie.

Comme nous avons vu, l'éclatement est la résultante de processus thermiques, hydriques et mécaniques couplés et éventuellement concurrents, impliquant un grand nombre de paramètres, tant à l'échelle du matériau qu'à celle de l'élément de structure. De ce fait le comportement à l'éclatement présente un caractère stochastique, comme en témoignent les essais au feu : dans des conditions expérimentales identiques, seulement une partie des éléments de structure testées présentent de l'éclatement. T σ -σ -σ température T, P σ -σ -σ température pression Zone sec Zone de vaporisation Zone saturée b a

Figure 39: Principales raisons d’apparition de l’écaillage : a) dilatation thermique empêchée d’après Bazant, 1997[15] et b) pressions internes Anderberg, 1997[5]

Une technique efficace pour éliminer l’apparition de l’éclatement consiste à créer les réseaux des pores connectés permettant l’évacuation de la vapeur d’eau et la réduction des pressions internes

dans le béton chauffé, afin que l’une des causes de l’éclatement soit éliminée. Cette solution est exposée dans le chapitre suivant.

5.1.2. Moyens de prévention de l’éclatement

L'addition de fibres polypropylène est recommandée par l’EUROCODE 2 comme moyen permettant la réduction des risques d’éclatement des BHP, lorsqu’ils sont soumis au feu. Sur la Figure 40 les fibres de polypropylène fréquemment utilisées ont été représentées. Sur la Figure 41 nous observons une image au microscope électronique à balayage (MEB) les mêmes fibres dispersées dans la matrice cimentaire. Plusieurs études expérimentales concordent pour conclure que l'addition des fibres polypropylènes est généralement une solution efficace permettant de réduire la sensibilité à l'éclatement des BHP [25], [139], [147]. Les fibres sont employées en quantité de 0.1% à 0.2% du volume du béton. Ceci correspond à une quantité couramment employée dans le but de la prévention de l’écaillage.

Figure 40. Fibre polypropylène fibrylée FIBERMESCH

Figure 41. Fibres polypropylène dispersés dans un BHP. Image MEB 50x, échantillon poli.

fibres

Sur la Figure 42, représentant l’analyse thermique différentielle des fibres polypropylène, les pics sur la courbe correspondent au: point de la fusion (171°C), à la température d‘évaporation (341°C), et de carbonatation (457°C). Les fibres fondent à 171°C et sont absorbées totalement ou partiellement par le réseau poreux de la matrice cimentaire. A 341°C le polypropylène se vaporise. Rappelons que les éclatements se produisent à des températures comprises entre 190-260°C. L’incorporation des fibres diminue significativement les valeurs des pressions et diminuent la température de l’apparitions des pics de la pression (180-200°C). 341°C 171°C 457°C 460°C -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 200 400 600 800 1000 Température (°C) Pe rt e de ma sse ( % ) -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 DT G (% /°C ) Fl ux de c h al eu r ( V) 0 -20 -40 -60 -80 -100 ATD ATG DTG

La plupart des auteurs s'accordent pour dire qu'en fondant les fibres laissent un chenal permettant à la vapeur d'eau de circuler [25], [139], [147]. Mais les phénomènes en jeu sont encore mal connus. Il a été observé [95] que les bétons avec fibres polypropylène, après l’échauffement jusqu’à 400°C, présentent une densité de fissuration de la matrice plus importante. Les fissures observées sont de taille de 1µm pour un béton avec des fibres et de taille de 10 µm pour le béton non-fibré. On émet deux hypothèses concernant cette fissuration supplémentaire dans les bétons fibrés. La première est que les fibres, en chauffant se dilatent de 10% ce qui peut générer les contraintes locales et un nucléation des fissures. La deuxième est que le lit des fibres favorise la formation locale de fissures et incite le faïençage.

Afin de mieux comprendre le processus thermo-hydrique menant à l'éclatement et fournir des données pour la validation des codes numériques, un dispositif originaux a été mis au point pour la mesure des champs de température, de pression dans le réseau poreux et de teneur en eau par une équipe du CSTB Kalifa et al. [93], [94] et [95].

L'étude de Kalifa et al. [95] a mis en évidence

l'efficacité des fibres comme moyen de réduction des pressions de vapeur d'eau dans les bétons. L’étude [95] a montré que l’utilisation des fibres en quantité d’environs 0.2 % du volume permet de réduire efficacement les pressions internes. Comme nous pouvons voir sur la Figure 40: l’ajout de 1.75 kg/m2 entraîne une réduction de 70% de la valeur de la pression maximale observée au cours d’essais sur un béton de référence sans fibres. Il à été noté que l’effet des fibres n’augmente pas significativement lorsque le taux des fibres est supérieur à 1.75 kg/m3 [93], [94] et [95].

L'efficacité des fibres organiques vis à vis de l'éclatement a fait l'objet de plusieurs études. Les essais sont dans la plupart des cas ([21],[95],[139],[147],[175]) conduits selon des sollicitations thermiques normalisées proche de la courbe ISO-834. L’efficacité des fibres a été testée sur différents corps d’épreuve : sur des colonnes chargées ou non chargées ou sur des cylindres, par une appréciation qualitative de l’aspect du béton après l'essai.

NOTA : La sollicitation thermique conforme à la norme

ISO -834 est définie par la relation :

θf(t) = 345 log(8t + 1) + θa, où t est le temps (en min), θf

la température du four (en °C), θa la température

ambiante à l'instant initial (en °C).

0 kg/m3 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6 1,75 kg/m3 0 1 2 3 4 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 _2mm 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm T e mp ér atur e [°C] P res si on [MP a ] P res si on [MP a ]

Par ailleurs, l’efficacité des fibres polypropylène a été mise en évidence par simulation numérique réalisée au NIST par équipe de Bentz et al. [20]. Sur La base de la théorie de la percolation, leurs calculs ont permis d’évaluer la quantité minimale de fibres pour assurer leur efficacité. La quantité de fibres nécessaire pour obtenir le seuil de la percolation a été estimée par la modélisation à 1.5% du volume du béton. Pourtant les essais réalisés par Kalifa et al. 2001 ont donné une réduction des pressions significative pour la quantité de fibres de 0.11%. Ainsi, il a été montré par la simulation numérique que pour un dosage de fibres donné, les fibres les plus longues sont les plus efficaces. L’étude expérimentale d’optimisation de la longueur des fibres a été menée récemment par Bilodeau et al. 2003 [21].

Temps [heures]

Figure 43: a) Evolution du champ de température au cours de l'échauffement, b) Pression de pore en fonction de la distance à la surface chauffée pour un BHP avec des fibres en quaqntité de 1.75 kg/m3 et en comparaison avec BHP sans fibres [94].

La quantité « expérimentale » de fibres moins importante par rapport à la quantité donnée par les modernisateurs, pour obtenir le seuil de percolation, peut être expliquée notamment par le fait que la zone de contact entre la pâte de ciment et les granulats participe à la connectivité du béton

(Bentz et al. [20]. Brandt, 2003 [24]) et la percolation peut se réaliser par la connections de ces zones par les chenaux créés par les fibres polypropylène fondant à 171°C.

5.1.3. Influence des fibres polypropylène sur le comportement mécanique à haute température L’ajout des fibres polypropylène en quantité d’environ 2 kg/m3 provoque une diminution de la résistance à 20°C par rapport au matériau sans fibres Breitenbucher, 1998 [25], Brandt, 2003 [24]. Pour compenser cette décroissance il est conseillé d’augmenter la quantité de ciment de 20-30 [kg/m3] [25], notamment pour assurer la maniabilité du mélange.

L'étude des propriétés mécaniques des bétons fibrés à haute température a, en échange, fait l'objet de peu de travaux. Dans Hoff et al. [81] le comportement mécanique de bétons fibrés après cuisson puis refroidissement a été étudié. Les résistances en compression s'échelonnent de 60 à 85 MPa.Par contre, nous n’avons pas trouvé dans la littérature de résultats issus d'essais réalisés « à chaud » sur BHP de fibres organiques, permettant d’évaluer le comportement mécanique de ces bétons à haute température.