Essais de flexion 4 points

La machine utilisée pour réaliser les essais de flexion 4 points est une machine hydrauli- que MTS810-50®_{, d’une capacité de 50kN. Le pilotage, l’asservissement et l’acquisition des don-}

nées se font à l’aide de l’environnement informatique TeststarIIs®_{. Les éprouvettes testées sont}

de forme parallélépipédique. Les dimensions sont de 25x25x150mm3_{, ces caractéristiques sont}

issues de la norme ISO5013 pour des essais de flexion à haute température sur des bétons réfrac- taires. De plus, les distances entre appuis supérieurs et inférieurs sont respectivement de 45mm (l sur la Figure 2.6) et de 125mm (L sur la Figure 2.6). Le banc de flexion est en alumine afin de pouvoir supporter les hautes températures. Le chargement est appliqué sur l’échantillon par l’intermédiaire de rouleaux (Figure 2.6), eux-mêmes en alumine. Le cardan qui relie le support des deux rouleaux supérieurs à la ligne de chargement permet une rotation libre des pièces, ce qui as- sure l’alignement et élimine les effets parasites provoqués par les défauts de parallélisme et de planéité des faces de l’éprouvette, qui peuvent subsister malgré la rectification préalable des faces inférieures et supérieures de l’éprouvette (tolérance de parallélisme de 0,05mm). De plus, cette rotation assure que la charge est bien appliquée à l’éprouvette par l’ensemble des deux rouleaux supérieurs.

L l h F/2 F/2 LVDT F/2 F/2 b _{L = 125 mm} l = 45mm h= 25mm b = 25mm

Figure 2.6 Schéma de l’essai de flexion 4 points.

Pour les essais de flexion 4 points, la théorie de l'élasticité des poutres permet de définir l’expression analytique de la contrainte de traction ! sur la face inférieure de l'éprouvette, entre les deux rouleaux supérieurs. La valeur de la contrainte est donnée par :

!

"= 3F (L# l)

2bh2 (2.1)

À partir de la mesure de la flèche, un module d'élasticité apparent peut être également cal- culé, selon l’équation suivante :

! Eapp= F f " 1 8bh3 " (L # l) " (2L 2+ 2Ll+l2) (2.2)

avec : L : la distance entre les rouleaux inférieurs, l : la distance entre les rouleaux supérieurs, b : la largeur de l'éprouvette,

h : la hauteur de l'éprouvette, F : la charge appliquée, f : la flèche.

La mesure de la flèche s’effectue grâce à un capteur LVDT. Une tige en alumine, reposant sur le capteur LVDT, est en contact avec la face inférieure de l’éprouvette. Cette méthode de me- sure est intéressante pour les essais à chaud car elle permet de conserver le capteur LVDT en zone froide. Cependant, plusieurs éléments peuvent influencer la mesure de la flèche :

- la mise en place de l’éprouvette sur le montage au début de l’essai,

- l’écrasement éventuel de l’éprouvette aux niveaux des contacts avec les rouleaux infé- rieurs,

Afin de quantifier la reproductibilité des comportements, trois essais ont été au minimum réalisés pour chaque température. Pour les essais à haute température, l’ensemble du montage est placé dans un four radiatif d’une capacité de 1 600°C.

Comme indiqué dans le chapitre 1 et comme le confirment les résultats de la présente étude, les bétons réfractaires sont caractérisés par des courbes de comportement non linéaires. La répartition non homogène des contraintes dans l’éprouvette complexifie l’interprétation des courbes de comportement en flexion. Les caractéristiques estimées à partir de la théorie de l’élasticité des poutres sont à considérer avec précaution. En effet, cette approche trouve ses limi- tes à basse température par le caractère fortement endommageable de ce type de matériau et à haute température lorsque le comportement du béton réfractaire devient élasto-visco-plastique. Ainsi, les valeurs de contraintes à la rupture ou des contraintes au pic peuvent êtres utilisées à ti- tre comparatif pour suivre les évolutions entre un ou plusieurs matériaux en fonction de la tem- pérature de cuisson ou d’essai. Elles sont considérées comme contraintes apparentes. Pour les essais à haute température, les courbes force-flèche sont données en annexe. De plus, des études antérieures [7, 12, 44] ont montré des différences obtenues entre les valeurs de module détermi- nées à partir de courbes issues d'essais de traction et d'essais de flexion. Ces différences sont es- sentiellement liées à la compression des éprouvettes parallélépipédiques de béton sous les rou- leaux d'alumine. Pour de faibles efforts, des déformations permanentes sont générées au niveau de ces contacts. Dans le cas d’essais de flexion 4 points sur des matériaux endommagés par un cycle de cuisson, la mesure de la flèche est ainsi plus fortement influencée par les déformations permanentes qui sont générées au niveau des contacts avec les rouleaux, même pour de faibles efforts. Cela explique la présence du domaine 0, identifié sur le début des courbes des essais de flexion 4 points au chapitre 1. Ainsi, la flèche, mesurée par le déplacement vertical du point cen- tral de la face inférieure de l’éprouvette, ne reflète pas uniquement la déflection en élasticité de la poutre mais intègre également des phénomènes locaux. Par conséquent, les valeurs de modules d’Young calculées par la théorie des poutres à partir de la mesure de la flèche ne sont qu’apparentes et sont plus faibles que celles mesurées en traction. La notation Eapp sera donc

adoptée pour les modules déterminés à partir des essais de flexion.

2.2.1.1 Essai monotone

L’essai monotone consiste à appliquer un déplacement croissant à l’échantillon. Ici, le chargement est piloté par le déplacement du vérin, à une vitesse de 0,2mm/min ou de 0,02mm/min. A haute température, les essais monotones sont réalisés lors d’un palier isotherme. La vitesse de montée en température est de 5°C/min. L’essai mécanique débute après un palier isotherme de 30 minutes à la température d’essai. L’ensemble du banc d’essai, en configuration haute température, est présenté sur la Figure 2.7.

(a) (b) (c)

Figure 2.7 Banc de flexion 4 points : (a) ligne de chargement en alumine, (b) configuration haute température, (c) zoom sur la ligne de chargement une fois le four installé.

2.2.1.2 Essai de fluage anisotherme

Le but de l’essai de fluage anisotherme est d’étudier le comportement du matériau sous un chargement constant et lors d’une élévation de la température. Comme indiqué dans les travaux de Massard [64], cet essai peut servir à dégager un ordre de grandeur des vitesses de fluage en fonction de la température, à choisir des conditions pour des essais de fluage isotherme, à révéler d’éventuelles évolutions microstructurales. Pour une seule éprouvette, un balayage des évolutions du comportement sur l’ensemble de la plage de température considérée est ainsi possible. Les éprouvettes de flexion utilisées pour le fluage anisotherme sont préalablement cuites à la tempéra- ture maximale d’essai. L’essai est réalisé grâce au banc de flexion 4 points installé dans le four ra- diatif (Figure 2.7.b). Afin de réduire la durée des essais, deux rampes de température successives sont employées. La première est de 280°C/h jusqu’à 600°C puis 100°C/h jusqu’à la température d’essai, à savoir 900°C ou 1 200°C. Le choix de la température de 600°C a été fait pour procéder au changement de vitesse avant l’apparition de visco-plasticité dans le comportement des maté- riaux étudiés. Les évolutions de la flèche en fonction du temps et de la température sont enregis- trées. Un thermocouple, placé au plus près de l’échantillon (Figure 2.7.c.!), permet de relever les valeurs de température dans l’enceinte du four à chaque instant de l’essai. Ce thermocouple per- met également d’ajuster la température de consigne pour réguler la température au centre du four au niveau voulu. L’essai de fluage anisotherme débute dès que l’éprouvette est chargée à un ni- veau d’effort équivalent à une contrainte de 2MPa (calculée en élasticité linéaire) sur la face en traction. L’exploitation des résultats est effectuée en corrigeant les courbes brutes des essais mé-

10cm 10cm

10cm

caniques par une courbe de référence obtenue lors d’un essai à blanc et permettant de s’affranchir des effets de dilatation du banc d’essai au cours de la montée en température.