Deformation thermique transitoire des be

This article was downloaded by: [Politechnika Krakowska Biblioteka] On: 11 October 2013, At: 01:45 Publisher: Taylor & Francis Informa Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK Revue Européenne de Génie Civil Publication details, including instructions for authors and subscription information: http://www.tandfonline.com/loi/tece19 Déformation thermique transitoire des bétons haute performance Izabela Hager a b & Pierre Pimienta a a CSTB, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment , 84, avenue Jean Jaurès, Champs sur Marne BP 2, F-77421, Marne-la-Vallée cedex E-mail: b Ecole Polytechnique de Cracovie, Faculté de Génie Civil , Institut de Matériaux et Construction de Bâtiment , ul Warszawska 24, 31-155, Cracovie, Pologne E-mail: Published online: 05 Oct 2011 To cite this article: Izabela Hager & Pierre Pimienta (2005) Déformation thermique transitoire des bétons haute performance, Revue Européenne de Génie Civil, 9:3, 373-383, DOI: 10.1080/17747120.2005.9692760 To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/17747120.2005.9692760 PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE Taylor & Francis makes every effort to ensure the accuracy of all the information (the “Content”) contained in the publications on our platform However, Taylor & Francis, our agents, and our licensors make no representations or warranties whatsoever as to the accuracy, completeness, or suitability for any purpose of the Content Any opinions and views expressed in this publication are the opinions and views of the authors, and are not the views of or endorsed by Taylor & Francis The accuracy of the Content should not be relied upon and should be independently verified with primary sources of information Taylor and Francis shall not be liable for any losses, actions, claims, proceedings, demands, costs, expenses, damages, and other liabilities whatsoever or howsoever caused arising directly or indirectly in 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déformation thermique transitoire (DTT) des bétons chauffés sous une charge mécanique en compression jusqu’à 600 °C Les matériaux testés sont trois bétons haute performance (BHP) et un béton ordinaire (BO) Les déformations thermiques (DT) ainsi que les déformations thermiques sous charge (DTSC) de 20 % et 40 % de la charge rupture ont été étudiées Ainsi, les déformations thermiques apparaissent fortement dépendantes de la nature des granulats utilisés : calcaire et silico-calcaire Au contraire, la déformation thermique transitoire appart peu dépendante de la nature des granulats jusqu’à environ 300 °C, température où la fissuration du matériau se manifeste La DTSC combinaison de la DT et de la DTT est de valeur absolue plus faible Ceci situe la pratique actuelle, qui ne tient généralement pas compte de la déformation thermique transitoire, dans le sens de la sécurité RÉSUMÉ ABSTRACT This paper presents the results of an investigation on the transient thermal strain of concretes heated under a compressive load Four concretes were tested; three high performance concretes (HPC) and one ordinary concrete (OC) Thermal strains and thermal strains under 20 and 40% of ultime compressive load were studied The thermal strain of concretes appears sensitive to the nature of aggregates used: limestone or gravel (siliceous) By opposite, the transient thermal strain appears to be not sensitive to the nature of aggregates until 300°C, temperature at which the cracks are formed The absolute value of thermal strains under loadcombination of thermal strain and transient thermal strain is lower The actual practice that generally does not take into account the transient thermal strain is then a secured practice MOTS-CLÉS : déformation thermique, déformation thermique transitoire, bétons haute performance BHP, haute température thermal strain, transitional thermal strain, high performance concrete HPC, high temperature KEYWORDS: REGC – 9/2005 Ville et génie civil, pages 373 383 374 REGC – 9/2005 Ville et génie Civil Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 Introduction En France, la prise en compte de l’action de la température sur les ouvrages en béton armé et précontraint est définie par le DTU « Méthode de prévision par le calcul du comportement au feu des structures en béton » et par le projet ENV 1992-1-2 EUROCODE « Calcul des structures en béton, Partie 1-2 : Règles générales – Calcul du comportement au feu » Le développement de l’utilisation des Bétons Hautes Performances (BHP) dans le secteur de la construction a rendu nécessaire leur prise en compte dans ces textes codificatifs Et ce n’est que récemment que le domaine d’application de ces codes a été élargi aux bétons de résistances allant jusqu’à 60 MPa dans le DTU et 80 MPa dans le projet d’Eurocode Le DTU dans sa dernière version et le projet d’Eurocode prennent en compte un comportement encore peu connu car difficile mesurer, la déformation thermique transitoire (également appelé fluage thermique transitoire) Celle-ci est la propriété des bétons se déformer de faỗon trốs importante lorsquils sont simultanộment soumis une sollicitation mécanique et une augmentation de température (essentiellement lors de la première montée en température) Les déformations ainsi engendrées sont, aussi bien dans le cas des bétons ordinaires que des BHP, largement supérieures celles d’origine élastique et au fluage propre Ainsi, le calcul de la déformation ε intègre, dans le projet d’Eurocode 2, la déformation thermique transitoire : ε =εσ + εth + εcreep + εtr [1] – εσ est la déformation élastique instantanée, – εth est la dilatation thermique du matériau non chargé, – εcreep est la déformation de fluage qui peut être négligée car sa participation la déformation totale ne peut être significative que pour des calculs de flèche après l’incendie, – εtr est la déformation thermique transitoire qui fait l’objet de la présente étude Nous présentons ci-après les résultats d’essais de déformation thermique et de déformation thermique sous charge (DTSC) La déformation thermique transitoire (DTT) est calculée en retranchant la DTSC la déformation thermique (DT) mesurée Nous pouvons certainement écrire que la DTSC est la déformation qui intéresse l’ingénieur puisque c’est la déformation mesurée, principalement combinaison de la déformation thermique et de la déformation thermique transitoire L’étude de la DT intéresse plutôt le scientifique qui cherche dissocier les phénomènes Déformation thermique transitoire des BHP 375 Programme expérimental Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 2.1 Matériaux testés – composition, fabrication et conservation L’étude a été menée sur les quatre compositions de bétons suivantes : M30C, M75C, M75SC et M100C Les propriétés mécaniques de ces bétons, déterminées chaud, ont été présentées dans (Pimienta, 2001 ; Pimienta et al., 2002) Les compositions de ces bétons sont données dans le tableau et exprimées proportionnellement la quantité de ciment La dénomination des bétons désigne leur résistance moyenne attendue C et SC désignent la nature des granulats : respectivement granulats concassés calcaires de la carrière du Boulonnais et granulats alluviaux silico-calcaires de La Brosse La réalisation des essais sur les bétons M75C et M75SC a pour but de déterminer l’influence de la nature des granulats Il est noter que l’obtention d’une résistance du béton M75SC équivalente celle du M75C a conduit une formulation de 10 % plus riche en pâte Le béton ordinaire (BO) M30C a été réalisé avec du ciment CPJ CEM II 32,5 R, tandis que les BHP ont été fabriqués avec le ciment CPA CEM I 52,5 PM CP de St-Vigor et de la fumée de silice Composition M30C M75C M75SC M100C Ciment 1,00 1,00 1,00 1,00 Sable 2,29 2,44 1,37 2,31 Granulats 2,94 2,90 2,73 2,78 Fumée de silice - 0,06 0,10 0,10 Superplastifiant - 0,03 0,03 0,03 Eau 0,52 0,38 0,33 0,33 Rapport eau/liant 0,52 0,37 0,32 0,32 Tableau Compositions des quatre bétons testés Le béton a été coulé dans des moules cylindriques en PVC en deux couches, chaque couche a été vibrée sur une table vibrante (10" pour la première couche, 15" pour la seconde) Les éprouvettes ont été démoulées 24 heures après leur fabrication et ont ensuite été stockées durant jours dans les sacs étanches t = 20 °C ± °C Entre le septième jour et le moment des essais les éprouvettes ont été mises dans une chambre de conditionnement t = 20 °C ± °C, 50 % HR ± % HR Au cours de la période de séchage, les surfaces d’appui des éprouvettes ont été rectifiées au lapidaire La résistance en compression de référence a été déterminée sur les éprouvettes 160 x 320 mm testées après 28 jours de conservation dans l’eau Les valeurs moyennes de résistance en compression (fc28) et de teneur en eau (w) s’élèvent respectivement : 376 REGC – 9/2005 Ville et génie Civil M30C : fc28 = 37,2 MPa et w = 1,78 % ; M75C : fc28 = 106,8 MPa et w = 2,23 % ; M75SC : fc28 = 92,2 MPa et w = 2,82 % ; M100C : fc28 = 112,8 MPa et w = 2,33 % Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 L’âge des éprouvettes en moment de la réalisation des essais a été supérieur de quatre ans 2.2 Matériel d’essais Afin de pouvoir mener cette étude, le CSTB a développé un nouvel équipement d’expérimentation Il permet la mesure de la déformation d’une éprouvette cylindrique sous chargement mécanique en compression en régime transitoire de température Cet équipement spécifique est constitué notamment d’un four régulé, permettant de chauffer des éprouvettes jusqu’à 600 °C avec une vitesse de montée en température choisie Le four est chauffé par trois éléments chauffants pilotés indépendamment au moyen de trois thermocouples de type K afin de réduire au mieux les gradients thermiques l’intérieur du four le long de l’axe longitudinal Les mesures de déformation ont été réalisées avec un extensomètre muni de trois capteurs de déplacement positionnés 120 °C L’ensemble peut être placé entre les plateaux d’une presse afin de pouvoir charger les éprouvettes au cours de leur échauffement (figure 1) Les données (force appliquée sur l’éprouvette, température, déplacement des trois capteurs) sont transmises une centrale d’acquisition des données HP et ensuite enregistrées sur PC Figure Dispositif d’essai Déformation thermique transitoire des BHP 377 Afin de vérifier le bon fonctionnement du système de mesure de déformation, des essais de dilatation thermique ont été réalisés sur un cylindre d’aluminium de dilatation thermique connue 23,9·10-6/°C Les courbes ainsi déterminées sont en bon accord avec la droite théorique, dont les pentes sont très proches Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 2.3 Modalités d’essais Les modalités des essais ont été inspirées de différents travaux réalisés l’étranger (Khoury et al., 1985 ; Schneider, 1976 ; Diederichs et al., 1992) et des recommandations de la RILEM (Réunion Internationale des Laboratoires d’Essais et de Recherches sur les Matériaux de Construction) concernant la réalisation des essais de la déformation thermique et déformation thermique transitoire sur le matériau béton (Rilem, 1997 ; Rilem, 1998) La taille des éprouvettes choisies (cylindres Ø 104 x 300 mm) est le résultat d’un compromis Il faut, d’une part, que celle-ci soit suffisamment importante pour que le matériau puisse être considéré comme homogène, ceci est en particulier relier la taille maximale des granulats, ici 20-25 mm Une taille trop importante d’éprouvette entrne, d’autre part, une plus grande hétérogénéité de la température et de la teneur en eau dans le matériau qui implique l’adoption de vitesses de montée en température plus faibles et des durées d’essais plus importantes L’élancement des éprouvettes a été choisi égal et non comme le veut l’usage (Rilem, 1997 ; Rilem, 1998) En effet, la liaison avec les plateaux de presse tend refroidir les extrémités des éprouvettes Il est donc souhaitable que la hauteur de la zone centrale des éprouvettes soit plus importante que celle correspondant l’élancement habituel 2.3.1 Déformation thermique Lors de la réalisation des essais de déformation thermique, l’éprouvette est placée dans le four et chauffée une vitesse de montée en température constante de 1°C/min jusqu’à 600 °C Ensuite un palier de stabilisation de température de heures est réalisé, suivi du refroidissement lent et naturel de l’éprouvette dans le four La déformation de l’éprouvette au cours de l’échauffement, ainsi que la température sont enregistrées avec une période de 300 secondes tout au long de l’essai Les résultats des déformations sont ensuite représentés en fonction de la température de la surface de l’éprouvette 2.3.2 Déformation thermique sous charge de compression et DTT L’éprouvette est positionnée dans le four L’ensemble (éprouvette + four) est placé entre les plateaux d’une presse de 000 kN L’éprouvette est chargée jusqu’à la charge désirée une vitesse constante de kN.s-1 soit 59 x 10-2 MPa.s-1 L’éprouvette est ensuite chauffée la vitesse constante dT/dt = 1°C/min Lors de l’échauffement, la température, la charge et la déformation sont enregistrées La 378 REGC – 9/2005 Ville et génie Civil charge est maintenue constante durant tout le cycle d’échauffement Deux niveaux de chargement ont été étudiés : 20 % et 40 % de la charge rupture déterminée froid L’acquisition et la représentation des données sont réalisées comme décrit précédemment pour la déformation thermique Résultats des essais et discussion Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 3.1 Déformation thermique Nous présentons sur la figure les courbes de déformation thermique des quatre bétons Les déformations thermiques des trois bétons contenant des granulats calcaires, du béton ordinaire M30C et des deux BHP : M75C et M100C sont très proches et ceci malgré les différences significatives dans la composition de ces bétons (E/C, teneur en pâte, type de ciment) Nous pouvons observer que le paramètre commun de ces bétons est la nature en granulats et leur dosage très proche : 69 % pour BO et 71 % pour deux BHP La déformation thermique du BHP contenant des granulats silico-calcaire, en revanche, présente des résultats qui deviennent supérieurs partir de 300 °C La déformation thermique du M75SC est environ deux fois supérieure celles des trois bétons de granulats calcaire 600 °C La dilatation thermique plus élevée des bétons M75SC est liée la nature des granulats silico-calcaires, qui possèdent un coefficient de dilatation thermique plus élevée que le calcaire Ainsi, le changement de phase du quartz 573 °C, un des minéraux constituants les granulats siliceux, s’accompagne d’une augmentation du volume de l’ordre de % Par ailleurs, ces granulats sont constitués de silex, minéral qui a la propriété de se cliver aux températures supérieures 400 °C Ceci conduit une fissuration significative du matériau qui entrne une augmentation de la déformation mesurée 3.2 Analyse des déformations thermiques sous charge Nous présentons également sur la figure les courbes de déformation thermique sous charge (DTSC) des quatre bétons jusqu’à 600 °C Les éprouvettes M75C et M75SC chargées 40 % ont rompu respectivement 480 °C et 500 °C Comme nous l’avons écrit précédemment, la DTSC est certainement la déformation qui intéresse l’ingénieur puisque c’est la déformation résultante mesurée Nous observons que la valeur absolue de la DTSC est inférieure la déformation thermique En particulier, la DTSC des trois BHP (M75C, M75SC et M100C) est une courbe proche de lorsque le taux de chargement est de 20 % Lorsque le taux de chargement augmente de 20 % 40 %, la valeur de la DTSC décrt Sa valeur absolue reste inférieure celle de la déformation thermique Inversement, la DTSC du béton ordinaire M30C est proche de lorsque le taux de chargement est égal 40 % Il est positif lorsqu’il est de 20 % Déformation thermique transitoire des BHP DTSC 20% 200 DT M75C M75SC DTSC M75C, 20% M75SC, 20% M75C, 40% M75SC, 40% DT Déformation [mm/m] Déformation [mm/m] 15 DT M30C M100C DTSC M30C 20% M100C 20% M30C 40% M100C 40% 400 DT 600 T [°C] DTSC 40% DTSC 20% 200 400 600 T [°C] DTSC 40% -10 -5 Figure Déformation thermique et déformation thermique sous charge (20 % et 40 %) déterminées sur les bétons BO (M30C), BHP avec granulats calcaires (M75C et M100C) et BHP avec granulats silico-calcaires (M75SC) 0 200 400 600 T [°C] 200 400 600 T [°C] 0 20% 20% 40% -5 DTT M30C, 20% M100C, 20% M30C, 40% M100C,40% -10 -15 -20 Déformation [mm/m] -5 Déformation [mm/m] Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 10 379 DTT M75C, 20% M75SC,20% M75C, 40% M75SC, 40% 40% -10 -15 -20 Figure Déformation thermique transitoire calculée partir de la DT et DTSC pour des bétons M30C, M75C, M75SC et M100C 380 REGC – 9/2005 Ville et génie Civil Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 3.3 Analyse des déformations thermiques transitoires Nous présentons enfin dans la figure les courbes de déformation thermique transitoire (DTT) des quatre bétons Ces courbes sont calculées en retranchant la DTSC la déformation thermique (DT) mesurée La comparaison des courbes, nous permet de déduire que la valeur de la DTT dépend fortement de la valeur de la charge appliquée Plus la charge est importante plus la différence entre la courbe de DT et DTSC s’accentue La DTT des bétons chargés 40 % est supérieure celle correspondant au taux de chargement de 20 % et l’augmentation est environ de 50 % pour un doublement du taux de chargement Les DTT d’un BHP avec des granulats calcaires sont supérieures aux DTT du BO (M30C) L’écart entre les courbes augmente jusqu’à environ 600 °C La DTT du béton M75SC est sensiblement égale celle du M75C jusqu’à 300 C Au-del de 300 C, elle augmente de faỗon beaucoup plus importante Cette différence de comportement des bétons contenant des granulats silico-calcaires peut avoir pour origine la fissuration Afin de comparer les DTT que nous avons déterminé avec celles déterminées par d’autres auteurs, nous comparons les valeurs obtenues 600 °C Les DTT des trois bétons de granulats calcaires chargés 20 % sont proches de 10 mm/m Ces valeurs sont en bon accord avec celles trouvées par Khoury et al (1985) et Diederichs et al (1992) La valeur obtenue sur le béton M75SC est en revanche plus élevée Ces résultats montrent que, dans nos conditions d’essais, la déformation thermique et la déformation thermique transitoire, qui sont les principales déformations, se compensent pour engendrer une déformation de valeur absolue plus faible L’ensemble de ces résultats est donc favorable et situe la pratique actuelle dans le sens de la sécurité puisque la déformation thermique transitoire n’est généralement pas prise en compte dans le dimensionnement des structures La comparaison des résultats obtenus sur le M30C et le BHP de granulats calcaires ne permet pas de déduire que les BHP présentent un comportement plus avantageux ou moins avantageux que celui des BO En effet, la prise en compte de la DTT réduit les déformations du béton exposé aux hautes températures en compensant les déformations thermiques Ces déformations du béton M30C sont proches de zéro lorsque celui-ci est chargé 40 % Il en est de même pour les bétons M75C et M100C lorsqu’ils sont chargés 20 % 3.4 Analyse des déformations thermiques transitoires normalisées Nous présentons sur la figure les courbes des déformations thermiques transitoires normalisées par rapport au taux de chargement appliqué (rapport de la thermique transitoire sur le taux de chargement (Diederichs, et al., 1989) Nous pouvons observer que les courbes DTTnormalisée obtenues pour les deux BHP : M75C et M100C, avec les granulats calcaires, obtenues pour les deux taux de chargement se superposent Déformation thermique transitoire des BHP 200 400 381 600 T [°C] Déformation [mm/m] Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 BO -30 BHP g.silico calcaires DTT20% normalisée M30C M75C -60 M100C M75SC DTT40% normalisée M30C M75C M100C M75SC -90 Figure Déformation thermique transitoire normalisée par rapport au taux de chargement, déterminée sur les quatre bétons M30C, M75C, M75SC et M100C Nous observons que les courbes obtenues pour tous les bétons sont très proches jusqu’à 400 °C Cela implique que la déformation thermique transitoire augmente proportionnellement avec le taux de chargement Au-delà de cette température l’influence du type de granulats se manifeste La fissuration des bétons de granulats silico-calcaires due la déformation thermique différentielle entre les granulats et la pâte de ciment est plus significative Conclusions et perspectives Lorsque le béton est simultanément soumis une sollicitation mécanique et une augmentation de température (essentiellement lors de la première montée en température), la déformation engendrée est la combinaison des déformations thermiques, élastiques et de la déformation thermique transitoire Afin de réaliser les essais, nous avons développé un nouvel équipement d’expérimentation spécifique et 382 REGC – 9/2005 Ville et génie Civil complexe Le bon fonctionnement du système de mesure de déformation a été vérifié au moyen d’un cylindre d’aluminium de dilatation thermique connue Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 Des essais de déformation thermique (sans chargement) et de déformation thermique transitoire (avec chargement) ont été réalisés sur quatre bétons : un BO de granulats calcaire, deux BHP de granulats calcaire et un BHP de granulats silicocalcaire L’analyse des résultats de DT a permis de conclure que la nature des granulats a une forte influence sur la déformation thermique du matériau Nous observons que la valeur absolue de la déformation thermique sous charge (DTSC) est inférieure la déformation thermique En particulier, la déformation thermique sous charge des trois BHP est une courbe proche de lorsque le taux de chargement est de 20 % Les DTT qui s’opposent aux déformations thermiques présentent des valeurs de déformation très élevées (de l’ordre de 10 mm/m 600 °C) Nous observons que la DTT augmente avec le taux de chargement L’augmentation est environ de 50 % pour un doublement du taux de chargement La déformation thermique transitoire appart peu dépendante de la nature des granulats jusqu’à environ 300°C, température où la fissuration du matériau se manifeste L’ensemble de ces résultats est favorable En effet, le dimensionnement des structures ne tient généralement pas compte de la déformation thermique transitoire Nous pouvons donc considérer que la pratique actuelle va dans le sens de la sécurité Les mécanismes l’origine de la déformation thermique transitoire restent encore mal connus et sont encore discutés Ainsi, l’étude de l’influence de la teneur en eau des éprouvettes avant essai a permis de montrer que l’eau doit jouer un rôle très important sinon majeur L’étude de la DTT durant le refroidissement et les montées en température ultérieures a été réalisée et montrent le caractère irréversible de ce phénomène Par ailleurs, bien que le phénomène de DTT en compression fasse l’objet d’un certain nombre de recherches au plan international, il n’y a eu, notre connaissance, aucun travail ayant traité de l’effet de la charge en traction sur la valeur de la DTT Nous avons réalisé des premiers essais dont les résultats obtenus sont prometteurs L’ensemble de ces études sera présenté dans une prochaine publication Enfin, il est nécessaire d’étudier l’influence des déformations thermiques transitoires dans les différents types d’ouvrages en béton et l’interaction du béton avec les armatures lors de leur échauffement Nous pouvons citer, par exemple, l’étude des déformations différentielles entre le béton et les armatures longitudinales dans les ouvrages en bétons comprimés tels que les poteaux Déformation thermique transitoire des BHP 383 Bibliographie Diederichs U., Jumppanen U.M., Pentalla V., “Behaviour of high strength concrete at elevated temperatures”, Espoo 1989, Helsinki University of Technology, Department of structural Engineering, Report 92, 1992, p 72 Downloaded by [Politechnika Krakowska Biblioteka] at 01:45 11 October 2013 Document Technique Unifié (DTU), Méthode de prévision par le calcul du comportement au feu des structures en béton, Règles de calcul FB AFNOR DTU P92-701, octobre 1987 ENV 1992-1-2 Eurocode 2, Calcul des structures en béton, Partie 1-2, Règles générales – Calcul du comportement au feu Khoury G.A., Grainger B.N., Sullivan G.P.E., “Strain of concrete during first heating to 600°C under load”, Magazine of concrete research, vol 37, n° 133, p 195-215, 1985 Khoury G.A., Grainger B.N., Sullivan G.P.E., “Transient thermal strain of concrete: literature review, conditions within specimen and behaviour of individual constituents”, Magazine of 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