D´eformation thermique libre du b´eton `a hautes temp´eratures

temp´eratures

Le b´eton subit une d´eformation thermique, lorsqu’il est soumis `a un changement

de temp´erature. Cependant, les gradients thermiques se d´eveloppant durant les phases

transitoires de propagation de la chaleur engendrent une d´eformation thermique non

uniforme au sein du mat´eriau. Cette non-uniformit´e induite des contraintes internes

qui peuvent elles-mˆemes provoquer un endommagement du mat´eriau. En outre, la

d´eformation thermique du b´eton est la superposition des d´eformations de la matrice

cimentaire et des granulats au cours de l’´echauffement. L’incompatibilit´e entre ces

d´eformations thermiques affecte d’une fa¸con significative les propri´et´es m´ecaniques du

b´eton `a hautes temp´eratures.

1.5.1.1 D´eformation thermique libre de la pˆate de ciment

Quand la pˆate de ciment est soumise `a de hautes temp´eratures, elle subit en premi`ere

phase une dilatation. Cette premi`ere phase de dilatation correspond `a une gamme de

temp´erature allant jusqu’`a 150◦C [68]. Ensuite, la pˆate de ciment subit une deuxi`eme

phase de contraction due au retrait de dessiccation [44]. N´eanmoins, la temp´erature

de changement de comportement (dilatation / contraction) d´epend de la vitesse de

chauffage : plus cette vitesse est importante plus la temp´erature est grande. En effet, sur

la figure 1.21, on repr´esente les d´eformations thermiques d’une pˆate de ciment chauff´ee

40 1.5. D´eformation du b´eton `a haute temp´erature

`a deux vitesses 0.5◦C/min et 1◦C/min dont la composition est celle correspondant

`a un b´eton M100C [44]. A partir de cette figure, la pˆate de ciment se dilate jusqu’`a

une temp´erature o`u la d´eformation atteint 2.2mm/m. Cette temp´erature d´epend de la

vitesse de chauffage. Pour les vitesses de 0.5 et 1◦C/min, ces temp´eratures se situent

respectivement aux alentours de 125◦Cet 180◦C. Ce r´esultat semble montrer l’influence

de la cin´etique de d´epart de l’eau du mat´eriau sur sa dilatation thermique. Cette

derni`ere ne doit donc pas ˆetre vue comme une propri´et´e physique intrins`eque.

La phase de dilatation est g´en´eralement attribu´ee `a la mise en mouvement et `a la

dilatation volumique des mol´ecules d’eau (sous toutes ses formes) ainsi qu’`a la r´eduction

des forces capillaires de l’eau sur le solide du fait de l’augmentation de la temp´erature

[9]. La phase de contraction est attribu´ee au d´epart de l’eau (´evaporable puis non

´evaporable) du mat´eriau qui provoque un retrait important de la pcd. Par ailleurs, le

m´ecanisme de retrait de la pˆate de ciment sous haute temp´erature diff`ere de celui `a

temp´erature ambiante. La figure 1.21 montre que le retrait intervient essentiellement

lorsque le processus de d´eshydratation est amorc´e. Ainsi, le retrait semble ne plus ˆetre

contrˆol´e par les effets capillaires mais rel`eve plutˆot d’un bilan volumique li´e au d´epart

de l’eau constitutive du gel de C-S-H.

Figure 25 : dilatation

thermique d'une pâte de

ciment durcie haute

performance entre 20 et

300 °C en fonction de la

vitesse de chauffage

selon (Hager 2004).

Figure 1.21 —Dilatation thermique d’une pˆate de ciment durcie haute performance

entre 20 et 300

◦

Cen fonction de la vitesse de chauffage selon [44].

1.5.1.2 D´eformation thermique libre des granulats

Les granulats occupent une part importante du volume total du b´eton (de 50 `a

80%). Leur dilatation thermique influence donc fortement la dilatation thermique du

b´eton. G´en´eralement, les granulats utilis´es pour la confection des b´etons pr´esentent

une expansion thermique sur la gamme de temp´erature atteinte lors d’un incendie.

Il est admis que l’expansion thermique des granulats d´epend principalement de leur

teneur en silice. Les roches `a haute teneur en silice comme les gr`es ou les quartzites ont

une forte expansion thermique (de plus, la transformation du quartz−αen quartz−β `a

573◦Cs’accompagne d’un gonflement du granulat). Les roches ne contenant pas ou peu

de silice, telles les roches calcaires, ont des expansions thermiques moins importantes

[9].

Sur la figure 1.22 on repr´esente l’´evolution de la d´eformation thermique de la roche

calcaire en comparaison avec la d´eformation thermique d’un b´eton M100C r´ealis´e avec

des granulats ayant la mˆeme nature calcaire que la roche. La figure 1.22 r´ev`ele, pour une

temp´erature allant de 20◦C `a environ 520◦C, une diff´erence relativement faible entre

la dilation thermique du granulat et celle du b´eton M100C. Ceci conduit `a penser, du

moins dans ce cas, que la d´eformation thermique libre du b´eton est essentiellement

contrˆol´ee par celle des granulats. En d’autres termes la d´eformation due au retrait de

dessiccation qui a pour origine la pˆate de ciment reste n´egligeable devant la dilatation

thermique des granulats.

Cependant, la d´eformation de retrait de la pˆate de ciment du mˆeme b´eton M100C,

donn´ee par la figure 1.21, montre des valeurs qui ne sont pas n´egligeables par rapport

`a celle de la d´eformation thermique libre des granulats. En effet, les proportions de

granulats et de pˆate sont, respectivement, ´egales `a 70% et 30%. Entre 300◦C et 400◦C,

une loi de m´elange donne une contribution de la pˆate `a la d´eformation du b´eton

d’envi-ron 25% de la contribution de la dilatation des granulats. Ceci semble en contradiction

avec les r´esultats de la figure 1.22 car on ne constate quasiment aucun ´ecart entre la

d´eformation du b´eton et de celle du granulat dans cet intervalle de temp´eratures.

Mˆeme si une simple loi de m´elange n’est pas valable dans ce cas, l’utilisation d’une

approche plus pr´ecise tel qu’un sch´ema d’homog´en´eisation ne devrait pas changer de

fa¸con sensible ce r´esultat.

Figure I-18. Evolution d

de la roche calcaire en

déformation thermique

avec la même nature de

(Hager, 2004)

Figure 26 : dilatation thermique d

andKaplan 1996) à gauche et

(Khoury 1992) à droite. Légende

grès, b et f – calcaire, c – granite

– anorthosite, e – basalte et h – p

droite : limestone= calcaire, grav

= gravier de Tamise (crackrepré

granulat) et basalt= basalte.

Figure 1.22 —Evolution de la d´eformation thermique de la roche calcaire en

compa-raison avec la d´eformation thermique d’un b´eton M100C r´ealis´e avec la mˆeme nature

42 1.5. D´eformation du b´eton `a haute temp´erature

1.5.1.3 D´eformation thermique libre du b´eton

Plusieurs recherches ont ´et´e r´ealis´ees dans le but de mesurer la d´eformation

ther-mique d’un b´eton soumis `a de hautes temp´eratures. La synth`ese des r´esultats donn´ee

par Schneider [121] montre que :

– la d´eformation thermique d’un b´eton ´evolue de fa¸con non lin´eaire avec

l’augmen-tation de la temp´erature.

– le facteur le plus important affectant cette d´eformation est la nature du granulat.

– pour des temp´eratures dans l’intervalle [600◦C,800◦C], la plupart des b´etons

montrent une r´eduction ou l’arrˆet de la dilatation thermique.

Ces observations ont ´et´e confirm´ees avec les r´esultats de d´eformation thermique

obtenus par Hager [44] sur les b´etons consid´er´es dans le cadre de cette ´etude. Sur la

figure 1.23, on repr´esente les r´esultats de la dilatation thermique d´etermin´ee sur les

b´etons M75C et M75SC. Chacun des deux b´etons a ´et´e chauff´e avec deux vitesses de

mont´ee en temp´erature : 0.5◦C/min et 1◦C/min. A partir de cette figure, on peut noter

que la d´eformation thermique du b´eton silico-calcaire est plus importante que celle du

b´eton calcaire avec un comportement non-lin´eaire en fonction de la temp´erature. En

outre, nous pouvons observer que la vitesse de mont´ee en temp´erature a une faible

influence sur le r´esultat. Les deux courbes sont quasiment identiques pour le b´eton

M75C. N´eanmoins, il est `a signaler que cette observation peut ˆetre due au fait que les

vitesses de mont´ee en temp´erature soient tr`es proches. Ce comportement ne devrait

plus ˆetre valable pour des vitesses plus importantes du fait de l’apparition dans ce

cas de forts gradients thermiques. Au-del`a de 500◦C, la d´eformation du b´eton M75SC

pour une vitesse de chauffage ´egale `a 0.5◦C/min est plus grande. Ceci peut s’expliquer

par une dur´ee plus longue de l’essai `a 0.5◦C/min et donc par une d´eshydratation plus

importante et une fissuration plus significative du mat´eriau.

Figure 29 : dilatation th

bétons selon (Hager 20

M100C sont confection

calcaires. M75SC est co

granulats silico-calcaire

Figure I-19. Influence

montée en températu

déformations

thermiques (DT) (Hag

Figure 1.23 —Influence de la vitesse de mont´ee en temp´erature sur les d´eformations

thermiques du b´eton [44].

Sur la figure 1.24, on repr´esente la d´eformation thermique libre en fonction de la

temp´erature pour les cinq b´etons dans les travaux de Mindeguia [96] avec deux b´etons

B40 et le B40SC ayant un cycle de chauffage-refroidissement. La vitesse de chauffage est

´egale `a 1◦C/min avec un palier maintenu `a 600◦C pendant une heure. A partir de cette

figure, on peut voir que la dilatation du b´eton B40SC est plus importante que les quatre

autres b´etons qui pr´esentent des valeurs comparables. Ceci est bien ´evidemment dˆu `a la

nature des granulats silico-calcaires qui ont un coefficient de dilatation plus important

que les granulats calcaires. En outre, `a partir de la figure 1.24, on peut affirmer que,

la d´eformation thermique est irr´eversible avec des valeurs r´esiduelles positives.

libre dans la direction

longitudinale des béton

de l'étude. La phase de

refroidissement a été

enregistrée pour le B40

et le B40SC.

Figure 1.24 — D´eformation thermique libre des b´etons de l’´etude de Mindeguia

[96]. La phase de refroidissement a ´et´e enregistr´ee pour le B40 et le B40SC.

Dans le document Étude multi-échelle du comportement thermo-hydro-mécanique des matériaux cimentaires : approche morphologique pour la prise en compte de la mésostructure (Page 40-44)