Evolution des propri´et´es thermiques des b´etons avec la temp´erature 30

temp´erature

Il est difficile de d´eterminer de fa¸con intrins`eque les propri´et´es thermiques du b´eton

en fonction de la temp´erature. Cette difficult´e est due aux nombreux ph´enom`enes qui

se produisent simultan´ement au sein du mat´eriau tels que l’´evolution de la porosit´e,

les ph´enom`enes de transport et de changement de phases et les changements dans

la composition chimique. Ainsi des relations uniques valables en toutes situations ne

peuvent pas ˆetre ´etablies pour d´ecrire les variations de ces propri´et´es en fonction de la

temp´erature. Cependant, pour les besoins de la mod´elisation, des relations restituant

les tendances g´en´erales qui se d´egagent des observations exp´erimentales peuvent ˆetre

adopt´ees.

1.4.3.1 Conductivit´e thermique

Pour les b´etons courants, la conductivit´e thermique diminue lorsque la temp´erature

augmente. La conductivit´e thermique des b´etons d´epend de la conductivit´e thermique

de chacun de ses composants. Cependant, il est g´en´eralement admis que la conductivit´e

thermique du b´eton d´epend essentiellement de celle des granulats [9].

La diminution de la conductivit´e thermique des b´etons avec l’´el´evation de la

temp´erature peut ˆetre attribu´ee `a la cr´eation de vides (augmentation de la taille des

pores et fissuration `a plusieurs ´echelles) qui constituent de bons isolants thermiques

et au d´epart progressif de l’eau (sous toutes ses formes) qui est un bon conducteur

thermique.

La figure 1.10 pr´esente un exemple des ´evolutions de la conductivit´e thermique de

certains b´etons avec la temp´erature mesur´ees par Mindeguia [96].

Figure 112 :

évolution de la

conductivité

thermique des bétons

de l'étude en fonction

de la température (la

valeur à 600 °C pour

le B40 et le B40F2

ont été obtenues

après

refroidissement).

Figure 1.10 —Evolution de la conductivit´e thermique des b´etons en fonction de la

temp´erature [96].

Selon la figure 1.10, les valeurs de la conductivit´e thermique et son ´evolution avec la

temp´erature sont quasiment les mˆemes pour tous les b´etons. A temp´erature ambiante

(20◦C), la conductivit´e thermique se situe entre 2 et 2.5W.m−1.K−1. La conductivit´e

thermique d´ecroˆıt de fa¸con quasi lin´eaire jusqu’`a atteindre la valeur de 1 W.m−1.K−1

`a la temp´erature de 600◦C.

1.4.3.2 Chaleur sp´ecifique

La chaleur sp´ecifique d’un mat´eriau est la quantit´e d’´energie n´ecessaire pour ´elever

d’un degr´e une masse unitaire de mati`ere. Autrement dit, c’est l’´energie qu’absorbe ou

restitue le mat´eriau pour :

32 1.4. Evolution des propri´et´es des b´etons avec la temp´erature

– soit changer de phase dans une r´eaction endothermique (consommation

d’´energie),

– soit changer de phase dans une r´eaction exothermique (restitution d’´energie).

La chaleur sp´ecifique de la pˆate de ciment durcie varie de 0.7 `a 1.7 kJ.kg−1.K−1

`a temp´erature ambiante [9]. Durant l’´echauffement, sa chaleur sp´ecifique va ˆetre

for-tement modifi´ee par les diff´erentes transformations physico-chimiques et plus

parti-culi`erement par le s´echage du mat´eriau (d´epart de l’eau libre), et la d´eshydratation

des C-S-H et de la Portlandite. A partir des enthalpies de ses diff´erents composants,

Harmathy [60] a propos´e une ´evolution th´eorique de la chaleur sp´ecifique d’une pˆate

de ciment qu’il a par la suite compar´ee `a des mesures exp´erimentales (Fig. 1.11).

Figure 40 : évolution

de la chaleur

spécifique de trois

pâtes de ciment (E/C =

A - 0.25, B – 0.33 et C

– 0.50) avec la

température. A

gauche, valeurs

théoriques; à droite,

valeurs mesurées

(Harmathy

1970).

Figure 1.11 —Evolution de la chaleur sp´ecifique de trois pˆates de ciment (E/C=

A−0.25, B−0.33 etC−0.50) avec la temp´erature. A gauche - valeurs th´eoriques ;

`a droite - valeurs mesur´ees [60].

La chaleur sp´ecifique des granulats varie g´en´eralement de 0.5 `a 0.9 kJ.kg−1.K−1 `a

temp´erature ambiante [9]. L’´evolution de la chaleur sp´ecifique avec la temp´erature peut

ˆetre modifi´ee par les diff´erentes transformations du granulat, en particulier le passage

de la structure α `a β vers 573◦C pour les roches contenant du quartz (Fig. 1.12).

La chaleur sp´ecifique moyenne du b´eton d´epend essentiellement de la chaleur

sp´ecifique des granulats puisque ceux-ci en constituent la plus grande proportion

vo-lumique. La figure 1.13 pr´esente un exemple des ´evolutions de la chaleur sp´ecifique de

certains b´etons avec la temp´erature mesur´ees par Mindeguia [96].

A temp´erature ambiante, la chaleur sp´ecifique des b´etons se situe autour de 1

kJ.kg−1.K−1. Avec l’´el´evation de la temp´erature, la chaleur sp´ecifique des b´etons croˆıt

jusqu’`a atteindre une valeur de l’ordre de 1.3 kJ.kg−1.K−1 `a 600◦C. Les valeurs de

chaleur sp´ecifique d´eduites apr`es refroidissement sont plus faibles que celles mesur´ees

`a chaud `a 600◦C.

Chapitre 1. Etude bibliographique 33

spécifique de

quelques roches avec

la température selon

(Vosteen

and Schellschmidt

2003) à gauche et

(Harmathy 1970) à

droite (nb : 1 cal =

4.1868 J).

Figure 1.12 — Evolution de la chaleur sp´ecifique de quelques roches avec la

temp´erature selon Vosteen and Schellschmidt [132] `a gauche et Harmathy [60] `a droite

(nb: 1cal= 4.1868J).

Figure 114 :

évolution de la

chaleur spécifique

des bétons de l'étude

en fonction de la

température.

Les points entourés

par le cercle en

pointillés

correspondent à des

valeurs mesurées

après

refroidissement.

Figure 1.13 — Evolution de la chaleur sp´ecifique des b´etons en fonction de la

temp´erature. Les points entour´es par le cercle en pointill´es correspondent `a des valeurs

mesur´ees apr`es refroidissement [96].

1.4.3.3 Masse volumique

La masse volumique du b´eton est d’environ 2300 kg.m−3 `a temp´erature ambiante.

Avec l’´el´evation de la temp´erature et les diff´erentes transformations physico-chimiques,

la masse volumique du b´eton ´evolue [9] :

– le d´epart d’eau par s´echage et d´eshydratation des CSH et Portlandite diminue la

densit´e du mat´eriau,

– l’expansion thermique du b´eton diminue sa densit´e,

– la forte expansion `a 573◦C des granulats contenant du quartz diminue la densit´e

du b´eton,

34 1.4. Evolution des propri´et´es des b´etons avec la temp´erature

– le fort d´egagement de CO₂ qui accompagne la d´ecomposition du carbonate de

calcium `a partir de 700◦C diminue fortement la densit´e du b´eton,

– la fusion du b´eton densifie le mat´eriau, augmentant par cons´equence sa masse

volumique.

La figure 1.14 pr´esente un exemple des ´evolutions de la masse volumique moyenne

de certains b´etons en fonction de la temp´erature [96].

Figure 103 :

évolution de la masse

volumique apparente

des bétons en

fonction de la

température (valeurs

moyennes).

Figure 1.14 — Evolution de la masse volumique des b´etons en fonction de la

temp´erature [96].

A l’´etat de r´ef´erence, la masse volumique des b´etons les moins compacts (B40,

B40SC et B40F2) s’´echelonne entre 2220 et 2285 kg.m−3. Pour les b´etons `a plus forte

compacit´e (B60 et B60F2), la masse volumique se situe aux alentours de 2365kg.m−3.

Pour tous les b´etons, nous observons une faible diminution de la masse volumique avec

l’´el´evation de la temp´erature.

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 31-35)