Thermal behavior of high performance concretes at high temperature - evolution of mechanical properties
Comportement à haute température des bétons à haute performance évolution des principales propriétés mécaniques
Résumé
The presented work aims at a better understanding of the behaviour of high performance concretes (HPC) subjected to high temperatures. We were more particularly interested in the mechanical behaviour of concretes during the heating. To realize this study a new experimental device was developed, allowing testing the compressive strength and the direct tensile strength at "hot" stage. The major part of this study was to establish the relations between the mechanical properties and the temperature of different concrete types. The compression strength and the modulus of elasticity change not only with the exposure temperature of the material, but also with the heating scenario (heating ratio, hot/residual tests, etc.) In this study the influence of the water / cement ratio was studied as well as the influence of the addition of the polypropylene fibres on the hot tested mechanical properties of the HPC. It can be deduced from our studies that the evolution of mechanical properties is related to the presence of free water in the material, especially in the range of temperatures until 300°C. An important part of this study was dedicated to the study of transient thermal strains. This behaviour, called "transient thermal creep" was examined on three high performance concretes (HPC) and one ordinary concrete (OC). Among the parameters influencing the transient thermal strain we can mention: the loading rate, the history of the thermo-mechanical loading, the heating rate or the moisture content of the concrete. Furthermore, we were study an existence of the phenomena under tension load. Those results were completed by SEM observations of the microstructure, porosity measurements and weight variations with temperature changes.
Le travail présenté vise une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l'exposition à haute température des bétons à haute performance. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés au comportement mécanique. La première partie de ce document présente une synthèse des travaux réalisés sur l'évolution des propriétés physiques et mécaniques des bétons soumis à haute température. Les résultats présents dans la littérature sont variés, parfois contradictoires et confus notamment ceux concernant l'évolution des propriétés mécaniques au cours de l'échauffement. Les évolutions de la résistance en compression, résistance en traction et module d'élasticité sont présentés en fonction des différents paramètres influençant ces comportements. L'influence des conditions de réalisation des essais est notamment discutée. En outre, le comportement au feu est abordé sous l'angle du phénomène de l'écaillage. Nous présentons ainsi le rôle des fibres polypropylène, un moyen efficace de réduire les risques d'apparition du comportement explosif. La deuxième partie, consacrée à l'étude expérimentale. Dans cette partie nous exposons les matériaux testés, leurs compositions et les constituants utilisés, ainsi que la fabrication de ces matériaux et leur conservation. Ensuite nous présentons le banc d'essais développé, permettant de tester le comportement mécanique à chaud des bétons. Ce nouveau dispositif expérimental spécifique et relativement complexe, a été spécialement mis au point afin de réaliser l'étude de la déformation thermique libre, de la déformation thermique sous charge mécanique, et du comportement en compression et en traction à chaud. Les résultats expérimentaux obtenus, sont ensuite présentés et discutés. La majeure partie de cette étude a été consacrée à l'établissement des relations entre le comportement mécanique et la température des différents types de béton. La résistance en compression et le module d'élasticité varient non seulement avec la température d'exposition du matériau, mais aussi avec le scénario d'échauffement (vitesse de montée en température, essais à chaud/après refroidissement, etc.). Dans les observations que nous avons réalisé, l'influence du rapport E/C des bétons testés a été étudiée ainsi que l'influence de l'ajout des fibres polypropylène sur les propriétés mécanique des BHP testés à chaud. Les observations de l'évolution des propriétés mécaniques réalisées nous ont permis de constater que les résultats du comportement à haute température sont fortement influencés par la présence de l'eau dans le matériau, surtout dans la gamme de températures jusqu'à 300°C. En complément de l'étude du comportement en compression, nous avons étudié la possibilité de réalisation des essais de traction directe sur le matériau béton "à chaud". Diverses solutions ont été envisagées et testées, afin de retenir la technique plus adaptée à nos besoins. Les premiers résultats sont très prometteurs. Il faut souligner que le nombre d'études expérimentales du comportement en traction directe "à chaud" est extrêmement faible. Une grande partie de la recherche a été consacrée à l'étude de la déformation thermique transitoire (DTT). Ce comportement, encore mal connu et souvent controversé, appelé "fluage thermique transitoire" a été étudié sur trois bétons à haute performance (BHP) et un béton ordinaire (BO). Parmi les paramètres influençant la DTT nous pouvons citer: le taux de chargement, l'histoire du chargement thermo mécanique, la vitesse de montée an température ou la teneur en eau du béton. De plus, nous avons étudié de l'existence du phénomène de la DTT sous charge mécanique en traction.