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Theses Year : 2005

Analysis of spalling mechanisms in concrete sujected to high temperatures

Analyse des mécanismes d'écaillage du béton soumis à des températures élevées

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Abstract

The concrete is a material which behavior was not well understood especially in spectacular accidental situations: tunnels _res. Many researches were thus undertaken to understand its behavior at high temperatures (up to 800°C) especially that there were three tunnels fires in Europe during the ten last years causing a spalling of concrete structures. This work aims to contribute in the comprehension of the mechanisms of this spalling in the heated concrete. In a first approach, we are interested to study the hydraulic spalling caused by the fluids pressures in the concrete considered as a porous medium. This study, based on a non deformable thermo-hydro-chemical model, focuses more particularly on the formation of a "plug " (zone quasi-saturated with liquid water) which is at the origin of the significant increase of pressures of gas which is "blocked". A simplified analytical approach, which is justified by numerical simulations of the complete model, made it possible to highlight the existence of a "saturation" temperature which can inform us about the "plug" depth raising then the depth of the hydraulic spalling localization. In a second approach based on a thermo-chimio-plasticity model, we seek to study the mechanical spalling. The concrete, considered this time as a continuous medium, is subjected to compressive stresses caused by restrained thermal dilatation. Its rigidity and its strength are also reduced under the chemical effect of CSH dehydration at high temperatures. The zone close to heated surface reaches then the plastic phase. An analytical simplified model, justified by numerical simulations of the complete model was useful to understand this mechanical spalling and to highlight the existence of a "plasticity" temperature which can inform us about the depth of the plastic zone raising then the depth of the mechanical spalling localization. Finally, a thermo-poro-elastic model which takes account of heat and mass transfers as well as concrete deformability made it possible to define two effective stresses: a tensile stress exerted by the fluids on the skeleton which characterizes then the hydraulic spalling and a compressive stress consequence of restrained thermal dilatation characterizing then the mechanical spalling. A plasticity criterion was used to see the contribution of each stress to reach the plastic phase. This can inform us about the "weight" of each one of these two mechanisms (hydraulic or mechanical) in the spalling process.
Le béton est un matériau dont le comportement n'a pas été totalement compris surtout dans des situations accidentelles spectaculaires: les incendies de tunnels. De nombreuses recherches ont été donc entreprises pour comprendre son comportement à hautes températures (allant jusqu'à les 800°C) surtout qu'il y a eu trois incendies de tunnels en Europe durant les dix dernières années provoquant un écaillage de structures en béton. Ce travail vise à apporter une contribution à la compréhension des mécanismes de cet écaillage dans le béton chauffé. Par une première approche, on s'intéresse à l'étude de l'écaillage hydraulique provoqué par les pressions des fluides dans le béton considéré comme un milieu poreux. L'étude, basée sur un modèle thermo-hydro-chimique indéformable, porte plus particulièrement sur la formation d'un "bouchon" (zone quasi-saturée d'eau liquide) qui est à l'origine de l'augmentation importante des pressions de gaz qui se trouve "bloqué". Une approche analytique simplifiée et justifiée par un calcul numérique complet a permis de mettre en évidence l'existence d'une température de "saturation" qui peut nous renseigner sur la profondeur du "bouchon" majorant ainsi la profondeur de l'écaillage hydraulique. Par une deuxième approche basée sur un modèle de thermo-chimio-plasticité, on cherche à étudier l'écaillage mécanique. Le béton, considéré cette fois comme un milieu continu, est soumis à des contraintes de compression provoquées par la dilatation thermique empêchée. Sa rigidité et sa résistance sont aussi réduites sous l'effet de la déshydratation chimique des hydrates CSH à hautes températures. Le zone proche de la surface chauffée rentre en phase plastique. Un modèle analytique simplifié et justifié par un calcul numérique complet a permis de comprendre cet écaillage mécanique et de mettre en évidence l'existence d'une température de "plastification" qui peut nous renseigner sur la profondeur de la zone plastifiée majorant ainsi la profondeur de l'écaillage mécanique. Finalement, un modèle thermo-poro-élastique qui tient compte des transferts de chaleur et de masse ainsi que de la déformabilité du béton a permis de définir deux contraintes effectives: une contrainte de traction exercée par les fluides sur le squelette et qui caractérise donc l'écaillage hydraulique et une contrainte de compression conséquence de la dilatation thermique empêchée et qui caractérise donc l'écaillage mécanique. Un critère de plasticité a été utilisé pour voir la contribution de chacune des contraintes dans l'atteinte de la phase plastique ce qui peut nous renseigner sur le \poids" de chacun des deux mécanismes (hydraulique ou mécanique) dans le processus d'écaillage.
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Dates and versions

pastel-00001794 , version 1 (03-09-2010)

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  • HAL Id : pastel-00001794 , version 1

Cite

Yahia Msaad. Analyse des mécanismes d'écaillage du béton soumis à des températures élevées. Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole des Ponts ParisTech, 2005. Français. ⟨NNT : 2005ENPC0029⟩. ⟨pastel-00001794⟩
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