Le comportement des BAP à haute température

Par Pierre Pimienta, le 21 novembre 2008

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Les bétons se sont anoblis : ils bénéficient aujourd’hui d’un haut niveau de résistance, d’une grande pérennité et d’une esthétique affinée qu’accompagnent la qualité et la traçabilité de la production obtenues en usine. Mais le développement de ces nouveaux bétons et des événements tels que l’incendie du tunnel sous le Mont Blanc, ont conduit à se poser la question de leur comportement à haute température. Des premiers travaux ont été réalisés dans le cadre du Projet National BHP 2000. Ils se poursuivent dans le cadre d’une étude menée sur les bétons autoplaçants à hautes performances (BAP - HP) menée conjointement par le CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment), le Cerib (Centre d’études et de recherches de l’industrie du béton) et la FIB (Fédération de l’industrie du béton) en collaboration avec l’université de Cergy Pontoise.
L’étude a porté sur des BAP dont les formules ont été établies afin de répondre aux besoins de l’industrie du béton préfabriqué.

Premier volet de l’étude

Réalisé au CSTB, il a consisté à déterminer l’évolution des propriétés mécaniques de BAP HP de résistances allant de 60 à 120 MPa en les soumettant à des températures de 20 à 600°C. Des courbes contraintes déformation déterminées sur l’un des BAP HP étudié (M90) sont données à titre d’exemple. Les résultats obtenus sont similaires à ceux obtenus sur les bétons vibrés. Nous observons une décroissance de la résistance en compression à 120°C. Cette diminution est comprise entre 20 et 30 %. Les résistances augmentent généralement entre à 250 et 400 °C puis rediminuent entre 400 et 600°C. Les valeurs des résistances relatives obtenues sont généralement comprises entre 75 et 95 %. Les origines de ces variations de résistance sont multiples. Ainsi, dans une zone de 100 à 250°C, les propriétés mécaniques apparaissent principalement influencées par ce qui se passe dans la pâte de ciment : l’eau contenue dans le béton joue certainement un rôle important et explique les variations de résistance. Au-delà de 400°C, la diminution des résistances peut principalement être expliquée par la fissuration du béton liée aux incompatibilités de déformation entre la pâte (qui se rétracte en se déshydratant) et les granulats (dont la dilation se poursuit).

Deuxième volet de l’étude

Il concerne un phénomène encore mal connu : la déformation thermique transitoire. Lorsque les bétons sont simultanément soumis à une charge de compression (généralement de 20 à 50 % de leur résistance) et une augmentation de la température, on observe une déformation différente à celle observée dans le cas d’une déformation thermique libre. La déformation mesurée est alors plus faible, voire inversée (comprimée). Sa valeur est quasi-proportionnelle à la charge que l’on applique. Des exemples de courbes de déformations thermiques sont présentés dans la figure 1. Ces déformations ont été déterminées sur le BAP HP M90. La déformation thermique transitoire est la différence entre la déformation thermique libre (en rouge sur la figure) et les déformations thermiques sous charge (en bleu). Par ailleurs, elle n’apparaît que lors de la première montée en température de l’éprouvette. La connaissance de ce phénomène est importante pour l’étude des phénomènes tels que les écaillages et éclatement des bétons qui nécessitent une connaissance fine des propriétés du matériau. Mais, elle est également importante pour la compréhension du comportement des structures soumises à un incendie car il engendre des déformations très importantes. Cependant, malgré ceci, il est encore mal connu et est rarement pris en compte dans les calculs de structure.

Troisième volet de l’étude

Il a consisté à évaluer la susceptibilité à l’écaillage et à l’éclatement de ces bétons en situation d’incendie. Ces risques d’instabilité apparaissent surtout dans les bétons à hautes performances présentant une matrice compacte et une perméabilité très faible. Les essais réalisés par le Cerib ont en particulier pu mettre en évidence l’efficacité des fibres de polypropylène pour prévenir l’écaillage sur des bétons autoplaçants à très haute performance (90 à 110 MPa). Ainsi, même à des dosages relativement faibles, des fibres de faible diamètre ont permis de réduire, voire, de supprimer les risques d’écaillage des bétons testés.

► Détermination des propriétés mécaniques des bétons à haute température

Afin d’étudier le comportement mécanique des bétons à haute température, le CSTB a développé un équipement d’expérimentation spécifique constitué notamment d’un four régulé permettant de chauffer des éprouvettes jusqu’à 600°C. Le four est chauffé au moyen de 3 éléments chauffants pilotés indépendamment afin de réduire au mieux les gradients thermiques à l’intérieur du four. Les mesures de déformation sont réalisées au moyen d’un dispositif muni de 3 capteurs de déplacement situés à l’extérieur du four et relié à l’éprouvette au travers de pointeaux. L’ensemble est positionné entre les plateaux d’une presse afin de pouvoir charger les éprouvettes au cours de leur échauffement. La force appliquée, les températures et la déformation mesurées au cours de l’essai sont enregistrées.
Ce dispositif permet l’étude à haute température des principales propriétés mécaniques des bétons telles que la résistance en compression, la résistance en traction, le module d’élasticité, la déformation thermique sous charge (ou fluage thermique transitoire). Plus récemment, ce dispositif a été enrichi de 3 capteurs supplémentaires afin de déterminer les déformations radiales des éprouvettes et donc de déduire le coefficient de Poisson (paramètre qui permet de définir l’amincissement d’un matériau soumis à une force d’étirement) à haute température.