Synthèse de la bibliographie issue des recherches sur le comportement

Depuis la fin des années 1990, l’analyse du comportement des bétons réfractaires a fait et continue de faire l’objet de plusieurs études. Au niveau national, certaines ont fait l’objet de tra- vaux en réseaux [20-22]. Ces études concernent notamment des travaux de doctorat [7, 12-14, 18, 19, 23], dont une part importante porte sur la caractérisation de leur comportement thermomé- canique, avec, dans certains cas, l’établissement de relations avec les évolutions microstructurales.

Sur la base des résultats de ces différentes études, une synthèse est proposée en Figure 1.16 en ayant pour objectif de regrouper et de positionner les principales évolutions des microstructures et du comportement thermomécanique de ces matériaux en fonction de la température, tout par- ticulièrement dans le cas d’une première chauffe. Cette synthèse s’appuie sur une échelle de tem- pératures qui s’étend de la température ambiante jusqu’à 1 500°C, échelle qui rend compte de l’étendue d’utilisation de ces matériaux dans des applications industrielles et qui a comme borne supérieure, la température de la définition de la norme AFNOR donnée au début de ce chapitre.

Dans cette gamme de températures, trois domaines de comportement peuvent être dis- tingués. Le premier domaine correspond aux basses températures, dans un intervalle compris entre la température ambiante et 800°C environ. Dans ce domaine, le comportement est de type élas-

tique endommageable. Au cours de la première chauffe, le béton, fraîchement mis en œuvre,

subit les processus de déshydratation qui conduisent à un endommagement. Le différentiel de comportement dilatométrique entre les granulats et la matrice cimentaire joue également un rôle sur cet endommagement. Par voie de conséquence, les performances mécaniques des bétons dans ce domaine de température sont faibles. Ainsi, les valeurs de contrainte à la rupture et du module d’Young chutent fortement entre l’état étuvé et les hautes températures du domaine (cf. paragra- phe 1.1.3). Le troisième domaine se situe aux très hautes températures, c’est-à-dire au-delà de 1 000°C environ. Dans ce domaine, le matériau a un comportement mécanique de type élasto-

visco-plastique. Le béton tend à se densifier sous des effets combinés de formation de phases

liquides, de diffusion à l’état solide et à l’état liquide, voire de cristallisation. L’essentiel des méca- nismes actifs concerne la matrice cimentaire. Ces températures sont suffisamment hautes pour permettre le frittage du matériau. Les résultats des essais mécaniques réalisés à hautes températu- res indiquent que la présence des phases liquides modifie le comportement du béton réfractaire. Ainsi, une composante de visco-plasticité s’additionne au comportement ce qui améliore la capa- cité de déformation du matériau. Le béton devient alors sensible au fluage. La tolérance à la dé- formation et à l’endommagement dans ce domaine de température est plus importante (cf. para- graphe 1.1.3). Le second domaine est alors un domaine de transition dont les bornes de température sont difficiles à définir avec précision. Toutefois, ce domaine se situe généralement entre 800°C et 1 000°C pour l’ensemble des bétons considérés dans ces différentes études. Dans ce domaine de transition, le matériau a un comportement qui évolue progressivement d’un comportement élastique endommageable vers un comportement élasto-visco-plastique, lorsque la température croît. En effet, c’est dans cet intervalle de températures que commencent à apparaître les phases liquides qui modifient le plus fortement le comportement mécanique.

Parmi les points essentiels mis en évidence dans ces différentes études, citons également l’influence primordiale de l’histoire thermique sur les évolutions microstructurales et, par voie de conséquence, sur les comportements thermomécaniques. Pour une température d’essai considé-

rée, le cheminement thermique qu’a connu un béton réfractaire a, en effet, des conséquences for- tes sur son niveau d’endommagement préalable à tout essai mécanique, sur sa capacité à dévelop- per de l’endommagement, sur la force des liaisons entre granulats et matrice cimentaire, sur l’importance respective de chacune des composantes de son comportement (élasticité, visco- plasticité, …). Les étapes et paramètres clés de l’histoire thermique de ces matériaux résident dans leur première chauffe, dans leur refroidissement, dans la durée des paliers isothermes à haute température et dans le niveau de température maximal atteint. Sur ce dernier point, la connais- sance des niveaux de température responsables de l’apparition des phases liquides est essentielle tant pour le comportement à basse température que pour le comportement à haute température.

Sur l’échelle de température considérée dans cette synthèse, quel que soit le domaine de température considéré, les bétons réfractaires ont des comportements le plus souvent non linéai- res et conservent un comportement à la rupture de type fragile ou quasi-fragile. L’objectif princi- pal de la présente étude est d’analyser comment l’introduction de fibres minérales dans ce type de matériau va modifier les caractéristiques de ces comportements non linéaires. Pour cela, la connaissance déjà établie concernant le comportement des bétons réfractaires est essentielle. Il est également important de considérer maintenant la connaissance établie dans le domaine du renforcement par fibres des bétons du génie civil et des bétons réfractaires.

Figure 1.16 Synthèse des principales évolutions des microstructures et du comportement thermo- mécanique des bétons réfractaires en fonction de la température, notamment lors de la première chauffe : définition de trois domaines de température.

L’objectif majeur visé par le renforcement des bétons réfractaires par des fibres consiste à améliorer leur tolérance à la déformation et à l’endommagement. Dans le génie civil, l'apport des fibres a été étudié avec un intérêt d'autant plus fort que les fibres améliorent grandement les pro- priétés mécaniques [24]. L'introduction de fibres dans un béton est poursuivie dans le but d'amé- liorer la résistance en traction, la résistance en flexion et la résistance à l'impact, de pouvoir contrôler la fissuration et le mode de fissuration par une ductilité post-pic, et de modifier les pro- priétés rhéologiques. Au final, les bétons deviennent des matériaux performants, à la durée de vie considérablement augmentée.