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This article was downloaded by: [Northeastern University]On: 26 November 2014, At: 20:17Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: MortimerHouse, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK
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Propriétés mécaniques et perméabilités résiduellesde bétons exposés à une tempérapture élevéeMulumba Kanema a , Albert Noumowé a , Jean-Louis Gallias a & Richard Cabrillac aa L2MGC, Université de Cergy-Pontoise , 5 mail Gay Lussac, Neuville/Oise, F-95031,Cergy-Pontoise E-mail:Published online: 05 Oct 2011.
To cite this article: Mulumba Kanema , Albert Noumowé , Jean-Louis Gallias & Richard Cabrillac (2006) Propriétésmécaniques et perméabilités résiduelles de bétons exposés à une tempérapture élevée, Revue Européenne de Génie Civil,10:10, 1195-1216, DOI: 10.1080/17747120.2006.9692912
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Revue européenne de génie civil. Volume 10 – n° 10/2006, pages 1195 à 1216
Propriétés mécaniques et perméabilitésrésiduelles de bétons exposésà une température élevée
Mulumba Kanema — Albert NoumowéJean-Louis Gallias — Richard Cabrillac
L2MGC, Université de Cergy-Pontoise5 mail Gay Lussac, Neuville/OiseF-95031 [email protected]
RESUME. La présente étude a consisté à soumettre cinq bétons de formulations différentes,contenant un volume identique de granulats et présentant un rapport eau/ciment variable, àquatre cycles de chauffage-refroidissement dont les températures de palier sont fixées à 150,300, 450, et 600 °C. Des mesures de résistances à la compression et à la traction, de moduled’élasticité linéaire et de perméabilité ont été réalisées avant et après chauffage. La perte demasse des bétons et les gradients thermiques ont été également suivis. Les résultats ontpermis de déterminer l’influence de la composition de la matrice cimentaire du béton sur lespropriétés mécaniques résiduelles, la déshydratation, l’évolution de la perméabilité et lastabilité thermique lorsque le béton est soumis à une température élevée.ABSTRACT. The present study consisted in subjecting five formulations of concrete, containingan identical volume of aggregates and presenting a variable water/cement ratio, to fourheating-cooling cycles whose maximum temperatures were fixed at 150, 300, 450, and 600°C.Measurements of compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity and gaspermeability were then carried out on cylindrical specimens before and after heating. Theresults made it possible to determine the influence of certain parameters of the concreteformulation on the residual properties, the dehydration of the cementing matrix, the evolutionof the permeability and the thermal stability when concrete is subjected to high temperature.MOTS-CLÉS : béton, cycle thermique, résistance mécanique, perméabilité.KEYWORDS: concrete, heating cycle, mechanical strength, permeability.
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1. Introduction
Le béton est susceptible d’être exposé à des températures élevées. L’améliorationdes connaissances sur son comportement à haute température est nécessaire pourdimensionner les bâtiments et ouvrages du génie civil afin qu’ils résistent au mieuxà certaines conditions accidentelles (incendie) ou particulières de service (stockagede déchets radioactifs). Le béton exposé à des températures élevées présente unedégradation qui peut se manifester par une chute de résistance, un écaillage et/ou unéclatement.
Les nombreuses études menées à ce jour attribuent les causes de ces phénomènesà une dégradation des liaisons physico-chimiques de la pâte de ciment, mais aussi àun développement de fortes pressions de vapeur et à une forte contrainte thermique(Bazant, 1978 ; Harmathy et al., 1961 ; Kodur et al., 2004 ; Khoury, 1995 ; Nishidaet al., 1995 ; Noumowé, 1995 ; Phan et al., 2003 ; Phan, 2002 ; Phan et al., 2001).Ces phénomènes se déroulant de manière simultanée et couplée dans le bétondépendent fortement des paramètres de formulation. Notre étude cherche àdéterminer le rôle de la matrice cimentaire. Pour cela, 5 formulations de bétondosées entre 325 et 500 kg/m3 de ciment avec un rapport eau/ciment décroissant ontété confectionnées tandis que le volume et les caractéristiques du squelettegranulaire sont maintenus constants. Ces formulations sont chauffées dans un foursuivant quatre cycles de chauffage-refroidissement dont les paliers sont situés à150 °C, 300 °C, 450 °C et 600 °C.
Les résultats expérimentaux indiquent comment évoluent les propriétésrésiduelles des bétons en fonction de la température, en ce qui concerne lespropriétés mécaniques (résistance à la compression, résistance à la traction etmodule d’élasticité) et la perméabilité. La variation de la perte de masse et lesgradients thermiques dans les éprouvettes au cours des différents cycles sontégalement étudiés. Ces résultats donnent des éléments pour comprendre lesmécanismes de dégradations intervenant sur des éléments en béton exposés à unetempérature élevée.
2. Les compositions de béton
2.1. Les matériaux
Un ciment de type CEM I 52,5 provenant de l’usine de Villiers au Boin(CALCIA) a été utilisé pour les formulations de béton ainsi que trois phasesgranulaires provenant de la carrière de Poissy (entreprise GSM) :
– un gravillon de classe 10/20 mm, siliceux semi-concassé,
– un gravillon de classe 5/10 mm, siliceux roulé,
– un sable de classe 0/5 mm, siliceux roulé.
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Un superplastifiant de type CIMFLUID 2002 à base de polycarboxylate modifiéa été également employé pour assurer une ouvrabilité satisfaisante pour lesdifférentes formulations. Il appartient à la famille des superplastifiants hautementréducteurs d’eau. Sa masse volumique à 20 °C est de 1,1 kg/dm3, son PH est 7 ± 1,l’extrait sec est de 35,0 % ± 1,7 %. Le dosage conseillé est de 0,2 à 2 kg pour 100 kgde ciment.
2.2. Les formulations
Constituants Unités B325 B350 B400 B450 B500
Ciment kg 325 350 400 450 500
Gravier kg 960 960 960 960 960
Gravillon kg 89 89 89 89 89
Sable kg 740 740 740 740 740
Eau (kg) L 202 194 177 160 143
Superplastifiant kg 0 0,35 1,04 1,73 2,43
E/C 0,62 0,55 0,44 0,36 0,29
A/C % 0,00 0,10 0,26 0,39 0,49
Masse vol. (kg/m3) Kg/m3 2316 2333 2367 2401 2435
M. eau/M. béton % 8,7 8,3 7,5 6,7 5,9
Tableau 1. Composition des bétons étudié
Unités B325 B350 B400 B450 B500
Ciment kg 326 349 406 447 501
Gravier kg 960 964 975 953 962
Gravillon kg 89 89 90 88 89
Sable kg 742 740 752 735 742
Eau (kg) L 208 195 180 159 144
Superplastifiant kg 0,00 0,40 1,06 1,25 2,63
E/C 0,64 0,56 0,44 0,36 0,29
A/C % 0 % 0,11 % 0,22 % 0,28 % 1,50 %
Masse vol. (kg/m3) Kg/m3 2325 2338 2405 2383 2441
M. eau/M. béton % 8,9 % 8,3 % 7,5 % 6,7 % 5,9 %
Tableau 2. Compositions réelles des bétons
Les compositions des bétons testés sont caractérisées par leur dosage en cimentde 325, 350, 400, 450 et 500 kg/m3. Le premier béton, dosé à 325 kg de ciment, est
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formulé par la méthode DREUX-GORISSE, tandis que les autres bétons, dosés à350, 400, 450 et 500 kg de ciment, sont obtenus par substitution volumique d’unepartie de l’eau de gâchage par du ciment. Le squelette granulaire de ces cinq bétonsest identique. Le dosage en adjuvant est ajusté de manière à obtenir un mélangeplastique ou très plastique (affaissement au cône d’Abrams entre 8 et 20 cm),permettant une mise en œuvre plus aisée des bétons à faible rapport E/C. Lescompositions de ces cinq bétons sont présentées dans le tableau 1. Nous présentonségalement, dans le tableau 2, les compositions réelles des bétons déduites desmasses volumiques apparentes.
2.3. Mode de conservation des éprouvettes
Des éprouvettes cylindriques Ø 16 x 32 cm et Ø 11 x 22 cm sont confectionnées.Elles comportent, pour certaines, deux thermocouples de type K permettant demesurer la température au centre et à mi-rayon des éprouvettes et de déduire lesgradients thermiques dans les différentes parties du corps cylindrique. Aprèsconfection, les éprouvettes sont protégées de la dessiccation par un couvercleplastique et conservées à température ambiante durant trois jours, avant d’êtredémoulées et immergées dans l’eau, jusqu’aux jours des essais. Ce mode deconservation, qui n’est pas celui recommandé par la RILEM, permet de maintenirune teneur en eau des bétons proche de celle de la saturation. Il permet un maintiende la cinétique d’hydratation du béton et limite la fissuration due à la dessiccation.Nous pourrons ainsi estimer le rôle joué par le réseau poreux de la matricecimentaire sur le comportement à haute température des bétons. De plus, l’état desaturation du béton peut être représentatif du béton mis en place dans les ouvragesmassifs (enceintes de confinement de centrales nucléaires ou colis de stockage dedéchets nucléaires) où le béton sèche très peu au cours du temps.
3. Les essais
3.1. Cycles de chauffage
Après la période de conservation de 28 jours, nous faisons subir aux bétonsquatre cycles de chauffage à l’aide d’un four de grande capacité. Chaque cycle secompose d’une phase de chauffage, d’un palier et d’une phase de refroidissement.Le choix de la vitesse de montée et de descente en température se réfère auxrecommandations du comité technique TC-129 de la RILEM (Rilem, 1995). Pourdes éprouvettes cylindriques de diamètre 16 cm, il est admis une vitesse dechauffage de 1 °C/mn. Les températures des paliers d’une heure sont fixées à 150,300, 450 et 600 °C. La vitesse moyenne de montée en température au sein deséprouvettes est de 0,9 °C/mn et est très proche de celle imposée en surface(1 °C/mn). Le graphique de la figure 1 présente les différents cycles de chauffage.
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cycle(150°C)cycle(300°C)cycle(450°C)cycle(600°C)
Figure 1. Caractéristiques des différents cycles de chauffage
3.2. Disposition dans le four
Pour chacune des compositions et chacun des cycles de chauffage, nousdisposons dans le four dix-huit éprouvettes de béton. Ce lot est composé de sixéprouvettes cylindriques Ø 16 x 32 cm, d’une éprouvette cylindrique Ø 15 x 30 cmpour la perméabilité et de onze éprouvettes cylindriques Ø 11 x 22 cm. Parmi les sixéprouvettes Ø 16 x 32 cm, la moitié est destinée à la mesure du module d’élasticitéet l’autre moitié à la mesure du gradient thermique dans le béton. Pour leséprouvettes Ø 11 x 22 cm, trois d’entre elles sont destinées à la mesure du gradientthermique, quatre à la détermination de la résistance à la traction et quatre à lamesure de la résistance à la compression. Il est à noter qu’une éprouvetteØ 11 x 22 cm est suspendue à un capteur de force afin de mesurer la variation demasse au cours du chauffage.
L’ensemble des éprouvettes est disposé de manière symétrique et régulière defaçon à avoir une répartition de chaleur homogène. Le dessin de la figure 2 illustre ladisposition des éprouvettes dans le four.
Nous disposons également des thermocouples à la surface des éprouvettes.L’ensemble des thermocouples (placés en surface et noyés dans les éprouvettes) et lecapteur de force sont connectés à une centrale d’acquisition automatique de donnéeset à un ordinateur.
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Figure 2. Disposition des éprouvettes dans le four (vue de dessus)
4. Essais
4.1. Essais mécaniques
4.1.1. Résistance à la compression
La norme NF P 18-406 a été suivie pour les essais en compression sur deséprouvettes cylindriques ∅ 11 x 22 cm avant et après chauffage. Cet essai a étépratiqué sur 4 éprouvettes pour chaque type de chauffage.
4.1.2. Résistance à la traction
La norme NF P 18-408 a été suivie pour caractériser la résistance à la tractiondes bétons par fendage sur des éprouvettes ∅ 11 cm x 22 cm. Cet essai estégalement pratiqué sur 4 éprouvettes pour chaque type de chauffage.
4.1.3. Module d’élasticité
La mesure du module d’élasticité est pratiquée sur trois éprouvettes∅ 16 cm x 32 cm pour chaque température de chauffage. Le module sécant à 60 %de la charge de ruine de la courbe contrainte-déformation a été déterminé.
4.2. Perméabilité
Un perméamètre à charge constante de diazote type CEMBUREAU a été utilisépour mesurer la capacité du béton à se laisser traverser par un gaz. Celui-ci fournit laperméabilité apparente du matériau dépendante de la pression d’injection. Pour
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déterminer la perméabilité intrinsèque, nous utilisons la correction proposée parKlinkenberg.
)1( *Pb
vkk +=
Avec : Kv : perméabilité intrinsèque (m2) ; b* : pente à l’origine de la courbe ; P :pression moyenne (Pa).
Pour mesurer la perméabilité des bétons, nous confectionnons des éprouvettescylindriques ∅ 15 x 30 cm sur lesquelles sont découpés des échantillonscylindriques ∅ 15 x 5 cm. Seuls les échantillons situés en partie centrale del’éprouvette (2, 3, 4 et 5) sont retenus pour les mesures (voir figure 3).
Figure 3. Découpage des éprouvettes pour les essais de perméabilité
La perméabilité résiduelle obtenue après application des différents cycles dechauffage-refroidissement a été déterminée et comparée à celle des éprouvettesayant subi un séchage jusqu’à masse constante par étuvage à 80 °C. Les éprouvettesétuvées à 80 °C et chauffées à 150 °C sont conservées dans des sacs étanches et lesautres laissées à l’air libre. Nous mesurons la perméabilité des éprouvettes étuvées lejour même de leurs sorties et celles des éprouvettes chauffées le lendemain de leurssorties.
Au cours de l’essai de perméabilité, l’écoulement du gaz diazote se fait à traversles pores du béton. L’écoulement par glissement est la part de l’écoulement du fluidedue à la collision des molécules de gaz avec la paroi des pores, au contraire del’écoulement visqueux qui est dû à la collision des molécules de gaz entre elles.Nous observerons l’évolution du coefficient b* lié à l’écoulement par glissement du
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fluide à l’intérieur des pores pour obtenir des renseignements sur la dimension despores traversés par le fluide.
4.3. Perte de masse
La détermination de la perte de masse des éprouvettes au cours du cycle dechauffage-refroidissement permet, d’une part, de quantifier la déshydratation dubéton en fonction du cycle de chauffage-refroidissement appliqué et d’autre part, dedéterminer à quelle température la totalité de l’eau introduite lors du gâchage a étééliminée. Pour chaque essai, une éprouvette de béton ∅ 11 x 22 cm est accrochée àun capteur de force de manière à suivre en continu la perte de masse du béton.
4.4. Différence de température
Nous avons noyé deux thermocouples dans certaines éprouvettes lors de lapréparation des bétons. Le premier thermocouple est placé dans l’axe du cylindre aucentre de l’éprouvette et le second à mi-rayon sur le plan médian du cylindre. Cesdeux thermocouples permettent de déterminer l’écart de température entre lasurface, la mi-profondeur et le centre du corps cylindrique au cours des différentscycles de chauffage-refroidissement.
5. Résultats
5.1. Résistances mécaniques et module d’élasticité
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Figure 4. Variation de la résistance résiduelle à la compression en fonction de latempérature du palier
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Température (°C)
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Figure 5. Variation de la résistance résiduelle à la traction en fonction de latempérature du palier
La figure 4 présente la variation de la résistance résiduelle à la compression desdifférentes formulations en fonction de la température du palier de chauffage. Nousobservons que toutes ces courbes de résistance à la compression sont composées dedeux parties. Dans la première partie, allant de 20 °C jusqu’à 300 °C ou 350 °C, larésistance à la compression du béton varie peu. Nous observons globalement unmaintien des résistances à la compression, voire une légère augmentation pourcertaines formulations (B450 et B500) ; en particulier la formulation B450 présenteune augmentation quasi continue dans le domaine 20 °C à 300 °C.
En revanche, pour les températures supérieures à 300 °C-350 °C, les résistancesà la compression diminuent de manière significative quelle que soit la formulation.Elles demeurent inférieures à 10 MPa lorsque le béton est chauffé à 600 °Cindépendamment du dosage en ciment.
Les résistances résiduelles à la traction des différentes formulations (figure 5)présentent une allure similaire à celle de la résistance résiduelle à la compression.Cependant, aucune amélioration de la résistance à la traction n’est observable dansles domaines 20-300 °C ou 350 °C. Tout au plus, les formulations à faible dosage enciment (B325 et B350) maintiennent à 150 °C leur résistance à la traction initiale alorsque celles à fort dosage maintiennent entre 150-300 °C leur résistance à la traction.
Il en résulte donc que les résistances mécaniques d’un béton chauffé jusqu’à300 °C varient globalement peu alors qu’elles diminuent très significativement au-delà de 300-350 °C pour devenir quasi négligeables après un chauffage à 600 °C.Ces résultats permettent de constater que la matrice cimentaire subit une trèsimportante déstructuration pour des températures supérieures à 300-350 °C. En deçàde ce seuil, les principales liaisons dans la matrice cimentaire sont maintenues maissubissent des transformations permettant un maintien des résistances.
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Figure 6. Variation du module d’élasticité résiduel en fonction de la température dupalier
La figure 6 présente la variation du module d’élasticité résiduel des différentesformulations de béton en fonction du cycle de chauffage subi. Nous constatons qu’àla différence des résistances mécaniques, le module d’élasticité du béton estdétérioré par le chauffage de manière continue dès 150 °C. Cette diminution dumodule d’élasticité dès 150 °C montre que le béton subit avec le chauffage unendommagement bien que les liaisons dans la matrice cimentaire soient maintenuesjusqu’à 300-350 °C. Cette détérioration est plus accentuée pour les formulations àfort dosage en ciment dans le domaine 20-300 ou 350 °C. Après un chauffage à600 °C, les éprouvettes de béton ne présentent plus de rigidité significative.
5.2. Perméabilité
1,E-17
1,E-16
1,E-15
1,E-14
1,E-13
0 100 200 300 400 500
Température (°C)
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trin
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ue
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Figure 7. Variation de la perméabilité intrinsèque résiduelle en fonction de latempérature du palier
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Propriétés mécaniques et perméabilités de bétons 1205
La figure 7 présente la variation de la perméabilité intrinsèque résiduelle desformulations B325, B350, B400, B450 et B500, obtenues pour des pressionsd’injection de 0,15, 0,2 et 0,3 MPa, en fonction de la température. On constate que,quelle que soit la formulation, la perméabilité des bétons diminue à 150 °C, puisaugmente de manière exponentielle avec l’élévation de la température. Laperméabilité intrinsèque résiduelle à 80 °C étant réalisée jusqu’à stabilisation demasse des échantillons durant 2 mois, nous attribuons la baisse de perméabilitéintrinsèque résiduelle à 150 °C à la présence d’eau sous forme liquide dans lespores. Cette observation est à corréler à l’augmentation de la perte de masse deséprouvette de béton durant la phase de refroidissement (voir figure 9). Les résultatsobtenus pour les températures 300 °C et 450 °C montrent une augmentation de laperméabilité avec l’élévation de la température en accord avec les différents travauxissus de la littérature (Lion et al., 2005 ; Skoczylas et al., 1995). Pour un chauffage à600 °C, la perméabilité est si importante que les limites de mesure du perméamètresont atteintes (perméabilité > 10-13 m2). En effet, un réseau dense de fissuresouvertes de l’ordre du millimètre caractérise la surface des éprouvettes chaufféessuivant le cycle de 600 °C.
La valeur du coefficient b* de la formule de Klinkenberg est fonction del’écoulement par glissement du fluide. Si le rayon moyen des pores traversés par leflux de gaz augmente, alors la part des écoulements par glissement diminue et lavaleur du coefficient b* diminue également. Les valeurs obtenues sur les cinqformulations de béton sont présentées dans le tableau 2. Nous notons en gras lavaleur obtenue pour les éprouvettes chauffées suivant le cycle à 350 °C, et ND cellespour lesquelles nous avons obtenu beaucoup d’incertitude.
Température (°C) B325 B350 B400 B450 B500x 104 MPa x 104 MPa x 104 MPa x 104 MPa x 104 MPa
80 8,6 18,9 13,1 15,0 9,0
150 3,5 17,4 14,5 ND ND
300 8,9 7,8 8,8 6,5 5,6
450 8,2 6,8 4,5 2,6 4,3
Tableau 3. Variation du coefficient b* proposé par Klinkenberg
Hormis les valeurs obtenues pour les cycles à 150 °C, qui évoluent de manièrediverse, nous constatons que le coefficient b* diminue avec l’augmentation de latempérature. Ceci semble indiquer que le coefficient b* est perturbé à 150 °C, etqu’au-delà de cette température, le rayon moyen des pores croît avec l’augmentationde la température des cycles. Ainsi, l’augmentation de la perméabilité résiduelleobservée après 150 °C est due à une densification du réseau poreux et à unaccroissement du diamètre moyen des pores. La perméabilité mesurée à 150 °C estcomparable à une perméabilité mesurée sur un cylindre rempli partiellement d’eau.
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La présence d’eau modifie les dimensions du réseau et les valeurs mesurées ne sontpas représentatives des variations dimensionnelles dues à l’élévation de températuredu réseau poreux.
La variation de la perméabilité en fonction de la température est comparable àcelle de la résistance à la compression et dans une moindre mesure de la résistance àla traction. En effet, la variation de ces trois caractéristiques dans le domaine detempérature de 20 à 300 °C est faible comparativement à celle du domaine 300-600 °C.
5.3. Perte de masse
Dénomination Masse(après confection)
Masse(à la sortie du bac)
Masse(après chauffage)
Perte demasse
(g) (g) (g) (%)
Eprouvette_1 5238 5235 4865 7,1
Eprouvette_2 5286 5290 4974 6,0
Eprouvette_3 5230 5230 4908 6,2
Eprouvette_4 5214 5210 4897 6,0
Tableau 4. Masse des éprouvettes de la composition B500 : de leur fabrication àleur sortie du four après un cycle de chauffage à 600 °C
Les masses des échantillons sont relevées après confection des éprouvettes, aprèsla période de stockage avec leurs moules et sans leurs moules, puis à leur sortie desbacs d’eau et enfin après application du cycle de chauffage. Le tableau 4 présentel’évolution des masses des éprouvettes B500, n’ayant subi aucun « pot out », aprèsleur confection, après leur sortie des bacs d’eau et après avoir subi un cycle dechauffage à 600 °C. On constate que le gain de masse après une conservationpendant 25 jours dans des bacs d’eau est faible, voire nul. La dernière colonne dutableau présente le pourcentage de perte de masse par rapport à la masse del’éprouvette après confection du béton. Cette démarche a été entreprise pour toutesles cinq compostions et les résultats de pertes de masse sont présentés sur la figure 8.
Le pourcentage d’eau éliminée par le chauffage pour les cinq formulations debéton est présenté sur la figure 8. La perte de masse est mesurée aprèsrefroidissement sur des éprouvettes n’ayant subi ni « pop-out » ni éclatement. Nousconstatons que le pourcentage d’eau perdue, pour toutes les formulations de béton,croît avec la température du cycle. Après le cycle de chauffage de 600 °C, nousconstatons que les formulations B325, B350 et B400 contiennent encore de l’eau,que le béton B450 perd la quasi totalité de son eau et que le béton B500 perd unequantité de matière très légèrement supérieure à la quantité d’eau introduite lors dugâchage. Ceci pourrait s’expliquer par le fait que le béton perd des éléments autres
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que des molécules d’eau lors du chauffage. Ces molécules pouvant êtreessentiellement du dioxyde de carbone (CO2).
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
100 200 300 400 500 600
Tempérture du palier (°C)
Eau
(p
erd
ue)
/Eau
(in
itia
le)
325
350
400
450
500
Figure 8. Variation du pourcentage de perte de masse en fonction de la températuredu palier
-1,0%
0,0%
1,0%
2,0%
3,0%
4,0%
5,0%
6,0%
7,0%
8,0%
0 100 200 300 400 500 600
Température de surface (°C)
% d
e p
erte
de
mas
se
%-B450-150°C
%-B450-300°C
%-B450-450°C
%-B450-600°C
Figure 9. Variation de la perte de masse du béton B450 pour différents cycles dechauffage
La figure 9 présente la variation de la perte de masse d’éprouvettes ∅ 11 x 22 cmpour la composition B450 au cours des cycles de chauffage-refroidissement. Lafigure 10 présente la variation de la perte de masse d’éprouvettes ∅ 11 x 22 cm aucours du cycle de chauffage à 600 °C pour les différentes formulations de béton. Onobserve qu’avant 150 °C la variation de masse est très faible. La perte de masse dansce domaine de température correspond à un départ d’une partie de l’eau librecontenue dans les pores du béton. La variation de température entre le centre et lasurface de l’éprouvette entraîne un déplacement de la masse fluide. Entre 150 et
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300 °C, les bétons perdent l’essentiel de l’eau en leur sein, que ce soit l’eau libre oul’eau liée. Cette perte représente 65 à 80 % de la masse d’eau totale dans le béton.Au-delà de 300 °C, les bétons perdent essentiellement de l’eau liée, ce qui entraîneune perte significative des propriétés mécaniques.
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%
0 100 200 300 400 500 600 700
Température de surface (°C)
% d
e p
erte
de
mas
se
%-B325-600°C
%-B350-600°C
%-B400-600°C
%-B450-600°C
%-B500-600°C
Figure 10. Variation de la perte de masse des différentes compositions pour le cycleà 600 °C
Nous observons aussi que, pour une température donnée, plus le rapport E/C estfaible, moins la perte de masse du béton est importante. Pour les bétons fortementdosés en ciment, la cinétique de perte de masse est décalée vers les hautestempératures. Ceci doit être relié au fait que la part d’eau liée est plus importantedans les bétons fortement dosés en ciment, et à une microstructure plus fine de cesbétons.
Le tableau 5 présente l’évolution de la perte de masse des éprouvettes∅ 15 x 5 cm soumises aux différents cycles de chauffage. La valeur en gras dutableau 5 correspond à un chauffage à 350 °C du fait de la détérioration duthermocouple de pilotage du four après éclatement d’une éprouvette. Cet éclatementa entraîné un arrêt brusque du cycle de chauffage.
Température (°C) B325 B350 B400 B450 B500
(%) (%) (%) (%) (%)
80 63,9 % 59,7 % 60,6 % 62,0 % 69,2 %
150 61,8 % 41,2 % 34,9 % 33,1 % 34,5 %
300 77,3 % 71,0 % 77,3 % 75,4 % 82,6 %
450 73,8 % 83,7 % 77,4 % 89,8 % 83,0 %
600 94,7 % 88,8 % 95,3 % 98,0 % 102,4 %
Tableau 5. Perte de masse, rapportée à la masse initiale, des éprouvettesØ 15 x 5 cm en fonction de la température
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L’observation de la variation de masse des éprouvettes Ø 15 x 5 cm soumisesaux différents cycles thermiques appelle les mêmes commentaires que pour lafigure 8. A 300 °C, une grande partie de l’eau de gâchage a quitté le béton.Lorsqu’on atteint les 600 °C, la quasi totalité de l’eau a quitté le béton. Mais surtouton observe qu’après un cycle à 150 °C, les bétons n’ont pas encore perdu la totalitéde leurs libres comparativement aux éprouvettes étuvées à 80 °C. Ceci confirme lesobservations faites sur le tableau 3 et sur la figure 9.
5.4. Gradients thermiques
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500 600
Température de surface (°C)
Dif
fére
nce
de
tem
pér
atu
re (
°C)
150°C
300°C
450°C
600°C
Figure 11. Variation de la différence de température entre le centre et la surfacedes éprouvettes de béton B350 en fonction de la température en surface pourdifférents cycles de chauffage
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250 300 350
Température en surface (°C)
Dif
fére
nce
de
tem
pér
atu
re (
°C)
B325
B350
B400
B450
B500
Figure 12. Variation de la différence de température entre le centre et la surfacedes éprouvettes des différentes formulations en fonction de la température ensurface pour un cycle de chauffage à 300°C
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La figure 11 présente les différences de température enregistrées entre le centreet la surface des éprouvettes Ø 11 x 22 cm, pour le béton B350, au cours des quatrecycles de chauffage. La figure 12 présente la différence de température entre lecentre et la surface des éprouvettes Ø 16 x 32 cm, pour les cinq compositions debéton chauffées suivant le cycle à 300 °C. Pour une même composition de béton,dans le domaine 20-600 °C (voir figure 11), nous constatons que la différence detempérature croit au sein du béton, pour atteindre un maximum à 300 °C, puisdécroît et ensuite reste constante. Cette augmentation de la différence de températurevers 300 °C correspond à la fin de l’élimination massive de l’eau contenue dans lebéton et l’élimination totale de l’eau libre (voir figure 10).
De même, nous observons pour les cinq formulations de béton que la différencede température augmente, passe par un maximum, puis diminue brusquement aprèsle pic. Ce maximum de différence de température entre le centre et la surface deséprouvettes, qui atteint environ 105 °C, correspond à un gradient thermique globalde 13 °C/cm de béton. Ce gradient thermique diminue avec l’augmentation dudosage en ciment. Ceci s’explique par le fait que le béton à fort rapport E/Cconsomme plus d’énergie pour transformer la grande quantité d’eau libre présentedans ces pores. Dans tous les cas, il reste suffisamment élevé pour induire descontraintes thermiques élevées dans le béton.
6. Eclatement d’éprouvettes
Nous avons répertorié, pour les cinq formulations de béton soumises aux quatrecycles de chauffage, le nombre d’éprouvettes éclatées. Le nombre d’éprouvetteséclatées et le nombre total d’éprouvettes sont présentés dans le tableau 6.
150 °C 300 °C 450 °C 600 °C
B325 0/17 0/17 5/68 2/17
B350 0/17 0/17 1/17 0/17
B400 0/17 0/17 3/17 1/17
B450 0/17 0/17 4/17 4/17
B500 0/17 0/17 10/68 4/17
Tableau 6. Nombres d’éprouvettes éclatées pour les cinq compositions soumisesaux quatre cycles de chauffage
Aucune des éprouvettes soumises à un cycle de 150 °C ou de 300 °C n’a éclaté,contrairement à celles soumises à un cycle de 450 °C ou de 600 °C. De plus, seulesles éprouvettes de dimensions Ø 16 x 32 cm ont éclaté. Ces résultats forcent à croirequ’il existe, pour une vitesse de montée en température et pour les éprouvettesØ 16 x 32 cm, une température critique où il peut y avoir éclatement. Il est important
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de souligner que bien que la différence de température soit plus importante dans leséprouvettes Ø 16 x 32 cm, le gradient de température est identique dans les deuxtypes d’éprouvettes. Nous observons également que les bétons de faible rapport E/Cont une tendance à l’éclatement plus importante que ceux des bétons à fort rapportE/C.
Figure 13. Béton B500 avant le cycle de chauffage à 600 °C
Figure 14. Béton B500 après le cycle de chauffage à 600 °C
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1212 Revue européenne de génie civil. Volume 10 – n° 10/2006
Les figures 13 et 14 présentent la composition B500 avant et après application ducycle de chauffage-refroidissement de 600 °C. Nous avons constaté pour cet essaiqu’une majorité d’éprouvettes Ø 16 x 32 cm placées dans le four ont éclaté. Tous leséclatements ont eu lieu à une température en surface des éprouvettes comprise entre301 et 350 °C.
-1 0
-5
0
5
10
15
20
0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0
Te m pé r atur e e n s u r face (°C)
Gra
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tem
péra
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(°C
/Cm
) B45 0 -in tacte
B45 0 -e xp los ée
Figure 15. Evolution du gradient de température d’éprouvettes éclatées et nonéclatées dosées à 450 kg de ciment
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400 500
Température de surface (°C)
Gra
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ratu
re (°
C/c
m)
B500-intacte
B500-explosée
Figure 16. Evolution du gradient de température d’éprouvettes éclatées et nonéclatées dosées à 500 kg de ciment
La figure 15 compare l’évolution du gradient de température d’une éprouvetteayant éclaté à celle d’une éprouvette n’ayant pas éclaté, pour le béton dosé à 450 kg
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de ciment et chauffé suivant le cycle à 450 °C. La figure 16 présente la mêmecomparaison pour le béton dosé à 500 kg de ciment. Les courbes d’évolution degradient thermique des éprouvettes ayant éclaté au cours du chauffage ne présententpas de pic dans les domaines 200-300 °C. Les éclatements d’éprouvettes surviennentpeu avant les pics que l’on observe sur les courbes des éprouvettes n’ayant paséclaté.
0
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4
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8
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0 50 100 150 200 250 300 350
Température en surface (°C)
Gra
die
nt
de
tem
pér
atu
re (
°C/C
m)
B325
B450
B500
Figure 17. Evolution du gradient de températures des éprouvettes éclatées, pour lescompositions B325, B450 et B500 chauffées à 450 °C
0
2
4
6
8
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0 100 200 300 400
Température en surface (°C)
Gra
die
nt
de
tem
pér
atu
re (
°C/C
m)
B450
B500
Figure 18. Evolution du gradient de température des éprouvettes éclatées pour lescompositions B450 et B500 chauffées à 600 °C
La figure17 présente l’évolution du gradient de température des compositionsB325, B450 et B500 en fonction de la température de surface pour un cycle dechauffage à 450 °C pour des éprouvettes Ø 16 x 32 cm ayant éclaté. La figure 18
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présente l’évolution du gradient de température des compositions B450 et B500pour un cycle de chauffage à 600 °C pour des éprouvettes Ø 16 x 32 cm ayantéclaté. Nous observons que, pour un même cycle de chauffage, le gradient detempérature des différentes formulations de béton diminue avec le dosage en ciment.Cette diminution du gradient de température peut être imputée à la faible quantitéd’eau dans les bétons. Plus il y a d’eau dans le béton, plus la capacité calorifique dubéton est importante, et plus les gradients thermiques seront importants au cours duchauffage. Nous observons également que l’éclatement du béton se produit à destempératures de surface comprises entre 301 et 350 °C, c’est-à-dire peu après que legradient de température ait atteint sa valeur maximale.
7. Conclusion
Au cours de cette étude, cinq bétons ont été confectionnés en gardant unsquelette granulaire constant et en faisant varier la quantité d’eau et de ciment. Leséprouvettes de béton fabriquées ont subi des cycles de chauffage-refroidissement etdes essais de compression, traction par fendage, des mesures de module d’élasticité,de perte de masse, de champs de température ainsi que des essais de perméabilitéafin de déterminer l’effet du chauffage sur les différents bétons. Les résultatsexpérimentaux permettent de déterminer les propriétés résiduelles des bétons et dedistinguer deux domaines de température.
Le premier domaine va de la température ambiante à 300 °C : on observe unmaintien des résistances mécaniques et de la perméabilité, une faible diminution dumodule d’élasticité. Le béton subit globalement de faibles modifications tant dupoint de vue physique que mécanique bien que la perte de masse soit importanteentre 100 et 300 °C. Les principales caractéristiques du béton chauffé à 150 °Crestent très proches de celles du béton non chauffé. Certaines sont même améliorées.Entre 150 et 300 °C, le béton subit une élimination d’une grande partie de l’eau (eaulibre et eau liée des hydrates) mais maintient ses caractéristiques mécaniques à unniveau élevé, tout en présentant un endommagement. Il est probable quel’élimination de l’eau soit accompagnée d’une restructuration de la matricecimentaire au niveau microstructural permettant de conserver la majeure partie de lacohésion du matériau et des résistances mécaniques. Nous observons aussi que legradient de température au sein des bétons croît pour atteindre un maximum à300 °C. Il est d’autant plus élevé que le rapport E/C est élevé et correspond à la zoned’élimination massive de l’eau du béton.
Le second domaine va de 300 à 600 °C : on observe une diminution importantedes caractéristiques mécaniques et une perte de masse modérée, conséquence d’unedéstructuration chimique progressive de la matrice cimentaire. Les gradientsthermiques diminuent mais restent quand même importants et conduisentvraisemblablement à des contraintes thermiques élevées. Quand l’éclatement seproduit, il a lieu pour une température de surface comprise entre 301 °C et 350 °C. Il
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se produit pour des gradients de température différents et est plus fréquent pour lesbétons à faible rapport E/C. Ce phénomène s’observe pour de faibles vitesses demontée en température sur les éprouvettes massives.
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