Evolution générale du module d’élasticité de bétons réfractaires à ciment alumineux

IV.1.1 Domaine de température entre 20°C et 400°C

Plusieurs auteurs ont étudié l’évolution des propriétés mécaniques en température de bétons réfractaires. Par exemple, Nonnet a étudié le comportement mécanique, de la température ambiante jusqu’à 1600°C, de bétons réfr actaires à matrice de SECAR 71, (composition massique : 25% de S71 et 85% d’alumine tabulaire) (Nonnet, Lequeux et al. 1999). La Figure I-13 représente l’évolution du module d’Young en fonction de la température de traitement thermique de ces bétons.

Figure I-13 : Evolution du module d’Young (E) en fonction de la température (Nonnet 1999)

Il a montré que le module d’élasticité des bétons alumineux chute lors de l’étape de conversion du CAH10 en C3AH6 entre la température ambiante et 150°C (Figure I-1 3). En revanche, comme cette conversion d’hydrates s’accompagne d’une libération de molécules d’eau, des particules de clinker CA encore anhydres vont s’hydrater à leur tour, c’est pourquoi on observe alors une légère augmentation du module d’élasticité entre 150°C et

200°C. Diaz et al ont également étudié l’évolution mécanique de bétons réfractaires en fonction de la température, mais à base de dolomite et magnésie. Les Figure I-14.a et Figure I-14.b représentent les évolutions de propriétés mécaniques de ces bétons en terme de module d’élasticité et de contrainte à rupture en flexion. Simonin, tout comme Nonnet, observe une forte chute des propriétés mécaniques du béton entre 200 et 300°C, pouvant atteindre 50% de la valeur initiale.

a. b.

Figure I-14 : Evolution du module d’élasticité (à température ambiante) (a.) et évolution des contraintes à rupture en flexion des bétons à base de dolomite (8D) et de magnésie (8DM) en

fonction de la température (Díaz, Torrecillas et al. 2008)

D’autres auteurs ont étudié l’évolution mécanique des matrices des bétons réfractaires. Soro (Soro 2005), dans le but de réaliser des composites réfractaires thermo structuraux par coulage en bande, a étudié l’évolution mécanique en température de matrices sable-ciment. La figure suivante (Figure I-15) représente l’évolution de module d’élasticité en fonction de la température pour ces matrices.

Figure I-15 : Evolution du module d’élasticité en fonction de la température pour une matrice sable-ciment (Soro 2005)

Soro a mis en évidence trois domaines distincts pour le comportement mécanique selon la température. Dans le domaine A, compris entre 20 et 400°C, il observe d’abord de 20 à 125°C une chute du module d’Young correspondan t à la déshydratation de CAH10 libérant une quantité d’eau importante responsable d’une porosité à l’origine de la baisse du module. Entre 125 et 175°C, on observe une augmenta tion du module, les molécules d’eau libérées par la déshydratation de CAH10 et C2AH8 hydratent la phase anhydre CA restante pour donner les hydrates stables C3AH6 et AH3. A ces températures, ces deux phases se forment directement, ce qui induit une cohésion entre les particules, et donc une légère augmentation du module d’Young. La chute observée entre 175 et 400°C, correspond à la déshydratation des phases C3AH6 et AH3.

Tous ces auteurs, qui ont étudié des systèmes béton ou matrices cimentaires uniquement, mettent en avant une chute des propriétés d’élasticité à température ambiante correspondant à l’évolution des hydrates et à la déshydratation des phases hydratées.

IV.1.2 Domaine de température entre 400°C et 900°C

Dans le domaine intermédiaire de température 400-900°C, les auteurs s’accordent pour dire que dans cette gamme de température, les propriétés d’élasticité de ces matériaux varient peu et sont assez faibles. Auvray et al. (Auvray, Gault et al. 2007), ont étudié le comportement d’élasticité en température de matrices de ciment alumineux de bétons réfractaires. La Figure I-16 représente les évolutions d’élasticité et de dilatomètrie de ces matrices composées d’aluminates de calcium et d’alumine.

Figure I-16 : Evolutions du module d’Young et de la dilatation thermique de matrices à ciment alumineux (Auvray, Gault et al. 2007)

En effet, dans ce domaine de température, les variations dilatométriques et l’évolution du comportement d’élasticité sont très faibles. En ce qui concerne l’évolution des phases calciques, à ces températures, on observe la déshydratation des phases CH et C12A7H, et la phase mayenite C12A7 commence à se cristalliser.

IV.1.3 Domaine de température entre 900°C et 1400°C

Autour de 900°C, Nonnet, Simonin, et Auvray observ ent une légère augmentation du module, correspondant à la formation de la phase CA à partir de la phase Mayenite C12A7 avec l’alumine, et une légère contraction due à la formation de CA (Figure I-13, Figure I-14.a, et Figure I-16). A plus haute température, vers 1100°C, ils observent une expansion volumique importante du matériau (Figure I-16). Cette dilatation est la conséquence de la

formation de CA2, qui est connue comme se produisant avec une augmentation de volume.

La formation de CA2 coïncide avec une franche augmentation du module d’élasticité, ceci peut s’expliquer par la consolidation du matériau par la formation de liaisons dues au frittage entre les grains (Gajda, McGee 1997).

Cependant, à ces températures, certaines compositions de bétons, de part leur composition riche en silice, peuvent donner lieu à une chute de propriétés mécaniques, avec un fort retrait volumique. Ce comportement suggère un changement de phase dans le matériau, en effet l’analyse du diagramme de phase ternaire C-A-S (CaO-Al2O3-SiO2) révèle la présence d’eutectiques à ces températures ; les phases fusibles se formant à ces températures entraînent une diminution de module d’Young (Figure I-15).

Dans tous les cas, la forte croissance du module qui intervient entre 1200°C et 1400°C est liée à la densification du matériau. La densification est brutalement stoppée entre 1400 et 1500°C, à cause de la formation expan sive de cristaux tabulaires de CA6.

Vers ces hautes températures, le frittage permet de consolider le système, et le processus dominant devient la densification du matériau (Altun 2001).

Les réactions de formations des phases calciques pour les bétons réfractaires ont lieu à des températures données, provoquant des variations dilatométriques ou des variations de porosité en terme de quantité ou de taille, ayant une influence directe sur le comportement mécanique de ces matériaux. Les formations des phases jouent donc un rôle important sur la microstructure et les propriétés mécaniques des bétons réfractaires (Sarpoolaky, Ahari et al. 2002).