2. Evolution des propriétés physiques 2.1. Densité apparente
Les mesures des densités apparentes obtenues par Kalifa et al. [23], dans le cadre du Projet National BHP 2000 [24], sont représentées sur la Figure 2.1. Elles montrent une légère diminution de la densité dans l’étendue des températures entre 100°C et 400°C. Des différences de densité entre le BO et le BHP peuvent être constatées.
Figure 2.1 : Densité apparente des bétons en fonction du traitement thermique [23]
Figure 2.2: Variations de la masse volumique de différents types de bétons en fonction de la température d’après Schneider [21]
Les propriétés physiques, thermiques et mécaniques des bétons à hautes températures
A haute température, ce paramètre dépend fortement de la nature des granulats utilisés dans le béton. La Figure 2.2 montre les variations de la masse volumique de différents types de bétons en fonction de la température.
Une diminution quasi-linéaire de la masse volumique est observée à des températures allant jusqu’à 800°C, or le béton à base de granulats calcaire présente une forte diminution de la densité au-delà de 800°C. Cette baisse de la masse volumique est liée à deux phénomènes, à savoir l’hydratation complémentaire des anhydres et la carbonatation de la portlandite.
2.2. Perméabilité
Au Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), à l’aide du perméamètre à gaz CEMBUREAU, des essais ont été effectués pour mesurer de l’évolution de la perméabilité au gaz avec la température sur des éprouvettes de forme cylindriques préalablement séchées. Le gaz utilisé est de l’azote. Un gradient de pression de 1 bar est établi entre les deux faces du disque. Le coefficient de perméabilité déterminé à partir des mesures du débit de gaz correspondant au coefficient de perméabilité au gaz ou perméabilité apparente kgexprimée en m2. De ce coefficient de perméabilité, on déduit directement la perméabilité relative au gaz exprimée en m/s tel que :
g g g g gk K μ ρ = (Equ. 2.1) Où : ρg et μg sont respectivement la masse volumique et la viscosité dynamique du gaz d’instruction.
L’évolution de la perméabilité avec la température a été aussi étudiée dans le cadre du Projet National BHP 2000 [24]. La détermination de la perméabilité intrinsèque (k) a été réalisée à partir de la mesure de la perméabilité à l'azote (Ka) à l'aide d'un perméamètre à charge constante de type Cembureau. La mesure a été effectuée à divers gradients de pression et la perméabilité intrinsèque ka été déterminée selon la méthode de Klinkenberg en utilisant la relation :
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = P b k Ka 1 (Equ. 2.2) où : P est la pression moyenne et b un coefficient déterminé expérimentalement.
La Figure 2.3 montre l’évolution de la perméabilité kg en fonction de la température. A 105°C, la
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augmente plus rapidement avec la température pour le BHP que pour BO. A 350°C, le BHP a une perméabilité équivalente à celle du béton ordinaire.
Figure 2.3: Perméabilité apparente au gaz kg
en fonction de la température de conditionnement [16]
Dans les travaux de Sliwinski et al. [25], il a été montré que la perméabilité du béton augmente avec la température de manière exponentielle (figure 2.4). Les valeurs de la perméabilité ont été obtenues pour un béton de granulats basalte chauffé à 1°C/min et refroidi à la température ambiante.
Figure 2.4: Perméabilité intrinsèque résiduelle en fonction du traitement thermique [25]
2.3. Evolution de la porosité
Concernant la porosité de la pâte de ciment à haute température, Fischer [26] a montré que celle-ci augmente d’une manière parabolique en fonction de la température. Cette augmentation est accompagnée d’une évolution de la taille moyenne des pores et du volume poreux total. Ceci est
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dû en partie à la rupture interne de la structure du gel de CSH lors du processus de déshydratation.
Les travaux menés par Noumowé A. [20] montrent que la porosité augmente en fonction de la température. Cette augmentation est due en partie à l’augmentation du volume total de la dimension des pores ainsi qu’à la microfissuration engendrée par la dilatation différentielle entre la pâte et les granulats.
La Figure 2.5 montre les distributions des pores d’un béton ordinaire obtenues à différentes températures par la technique de porosimétrie au mercure. Le premier pic correspond aux pores capillaires de la pâte. En effet, à 25°C nous observons une population de pores qui se situe autour de 40 nm. Sous l’effet de la température, ce pic augmente en volume et son rayon moyen augmente légèrement entre 70 et 120 °C pour ensuite rester constant jusqu’à 600°C.
La Figure 2.6 montre la distribution porosimètrique obtenue par intrusion de mercure, des BHP à différentes températures (105 ; 200 ; 300 et 400°C) par Kalifa et al [24]. A 105°C, la distribution de tailles de pores du BHP présente un seul pic relativement peu étalé (autour de 30 nm), ce qui traduit un spectre étroit de tailles de pores. Ce pic reste constant avec la température. A 400 °C, on constate la formation d’un deuxième pic (autour de 4 μm) avec une zone très étalée. Kalifa et al. [24] expliquent que ceci peut correspondre à la fissuration dans le BHP chauffé à 400°C.
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Figure 2.6: Distribution des diamètres de pores dans le BHP en fonction de la température [24]
2.4. Perte de masse
Durant l’échauffement du béton, sa masse est soumise à une variation due à l’évaporation de l’eau et la déshydratation progressive du gel CSH. Sur la Figure 2.7, nous pouvons observer une courbe caractéristique de la perte de masse durant l’échauffement, ainsi que la courbe de la vitesse de la perte de masse.
La Figure 2.8 regroupe les résultats d’analyses thermogravimétriques (ATG), menées par différents auteurs sur des bétons comprenant différents granulats. Globalement, on observe entre 20°C et 200°C une perte de masse due à l’eau libre, entre 200 et 500°C une perte de l’eau liée chimiquement et au-delà de 500°C une perte liée aux dégradations chimiques des différents types de granulats.
Figure 2.7: Perte de masse et vitesse de perte de masse en fonction de la température [23]
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Figure 2.8 : Perte de masse des bétons de différents types de granulats en fonction de la température [22]
3. Evolution des propriétés thermiques