Ces essais sont très importants pour améliorer la connaissance du comportement thermo-hydro-mécanique (THM) du béton à haute température. Cependant, ces modèles ne permettent pas de prendre en compte certains phénomènes locaux, comme l'incompatibilité thermohydrique entre la pâte de ciment et les granulats, ou encore le rôle de la morphologie et du type de granulats sur le comportement du béton à haute température.
Introduction
G´en´eralit´es sur les b´etons
Microstructure
Feldman et Sereda proposent un modèle de la microstructure du gel CSH illustré à la figure 1.1. Cependant, certaines interactions chimiques avec la pâte de ciment peuvent être néfastes pour le béton, comme la réaction alcali-granulats.
Eau dans le b´eton
La présence d’eau, sous toutes ses formes, détermine une grande partie des propriétés du béton. La teneur en eau est un paramètre qui détermine le comportement en température du béton en agissant sur les différents processus thermiques (évaporation/condensation, convection), hydriques (transport de masse dans le béton) et mécaniques (pression interstitielle).
Porosit´e du b´eton
Transformations physico-chimiques des b´etons sous l’effet d’un chauffage 24
- Effets sur la microstructure du b´eton
- D´eshydratation
- Evolution de la porosit´e
- Evolution des propri´et´es de transfert
- Evolution des propri´et´es thermiques des b´etons avec la temp´erature 30
- Chaleur sp´ecifique
- Masse volumique
- Evolution des propri´et´es m´ecaniques des b´etons avec la temp´erature 34
- R´esistance en compression `a hautes temp´eratures
- R´esistance en traction `a hautes temp´eratures
La figure 1.17 montre les changements dans la résistance à la compression du béton avec la température. La figure 1.19 montre le rapport de résistance à la traction de trois bétons en fonction de la température.
D´eformation du b´eton `a haute temp´erature
D´eformation thermique libre du b´eton `a hautes temp´eratures
- D´eformation thermique libre de la pˆate de ciment
- D´eformation thermique libre des granulats
- D´eformation thermique libre du b´eton
De plus, la déformation thermique du béton est une superposition de déformations de la matrice cimentaire et des granulats lors du chauffage. De plus, nous pouvons confirmer à partir de la figure 1.24 que la déformation thermique est irréversible avec des valeurs résiduelles positives.
D´eformation du fluage thermique transitoire
Par exemple, Anderberg et Thelandersson [5] donnent l'équation 1.4 pour la déformation totale du béton chauffé illustrée à la figure 1.25. Les résultats de la décomposition de la déformation totale de cet échantillon sont rassemblés sur la figure 1.26 dans le sens longitudinal [96].
Incompatibilit´es de d´eformation
Selon ces auteurs, l’effet combiné de la dessiccation et du fluage de déshydratation est à la base de l’apparition du DTT. Une des conséquences de cet endommagement est l'apparition de fissures dans la matrice, transgranulaire et surtout à la limite pâte/granulat, comme le montrent les observations MEB de la Figure 1.27.
Processus de d´egradation du b´eton `a haute temp´erature
La figure 1.29 présente la schématisation de l'effritement du béton avec les deux phénomènes thermohydriques analysés ci-dessus, qui entrent en jeu de manière simultanée du point de vue de l'échelle macroscopique. Ces microfissures peuvent se propager selon un chemin de percolation qui dépend de la répartition et de la morphologie des granulats (Fig. 1.30).
Limites des approches thermo-hydro-m´ecaniques `a l’´echelle macroscopique 49
- Mod`ele B´eton Num´erique de Mounajed et al. [101]
- Contributions microm´ecaniques de Grondin et al. [55]
- Mod`ele B´eton Num´erique de Delft-TNO [25]
- Approche thermo-m´ecanique m´esoscopique de La-Borderie et al
- Approche thermo-m´ecanique m´esoscopique de De-Sa et al. [32] . 57
Les approches à l'échelle macroscopique ne permettent pas de prendre en compte les effets de l'incompatibilité pâte/granulats sur le comportement en température du béton. La figure 1.41 montre une comparaison des différences de température entre le noyau et la surface de l'éprouvette.
Mod´elisation thermo-hydrique `a l’´echelle m´esoscopique
Mod´elisation thermo-hydrique de la matrice
- Equations de conservation
- Equations constitutives
En négligeant les effets de la déformation du squelette solide, les équations de conservation de masse pour l'aire Ωm sont écrites. Pour éliminer la source d'évaporation ˙mvap, les équations de conservation de l'eau liquide (2.4) et de la vapeur (2.5) sont additionnées pour obtenir l'équation d'équilibre pour la masse totale d'eau mw [81].
Mod´elisation thermique des inclusions
Isotherme de sorption-désorption La résolution des équations présentées vise à déterminer la répartition spatiale et temporelle de la température, des masses des constituants et des pressions correspondantes dans le milieu poreux. En introduisant les équations constitutives précédentes, le problème à résoudre à ce stade contient comme inconnues principales (Sl, pv, pa, T) ou alternativement (Sl, pc, pg ,T).
Conditions aux limites
Le coefficient hg, respectivement hT, est le coefficient d'échange de convection de masse, respectivement d'énergie [81]. Il convient de noter que la condition d'interface (2.38) sur les champs d'eau signifie que les flux de masse et donc l'advection de chaleur ne peuvent pas traverser les inclusions.
Mod`ele ´el´ement fini
- Discr´etisation spatio-temporelle
- Conditions aux limites de convection de masse lin´earis´ees 74
Nous procédons à la solution en chaîne des trois équations en adoptant un algorithme d'itération à deux niveaux. L’introduction des conditions aux limites de convection de masse (2.33) et (2.34) nécessite l’expression des densités ρα (α=v, a) en fonction des variables du problème (pv, pa, T).
Comportement du b´eton `a haute temp´erature
Les déformations résultantes de la dilatation thermique effective εmt et du retrait de déshydratation εmr donnent la déformation thermique libre apparenteεmth du mortier. Ainsi, la déformation mesurée expérimentalement lorsque le béton est exposé à l'effet combiné de la dessiccation et de la température sous une charge mécanique constante correspond au fluage thermique transitoire de déformation du mortier.
Equations constitutives
- Dilatation et retrait
- Fluage thermique transitoire
- Endommagements
Cette dernière est liée à l'évolution de l'hygrométrie et à celle de la déshydratation du matériau sous contrainte. La vitesse de déformation thermique transitoire ε˙mtc du mortier est donnée par .
Equation d’´equilibre
De plus, µs, µd, f(Ds) et f(Dd) varient entre 0 pour un matériau homogène et 1 pour un matériau hétérogène.
Conditions aux limites
Mod`ele ´el´ement fini
- R´esolution globale
- R´esolution locale
Le vecteur R(n+1) restant est ensuite mis à jour et le processus itératif global se poursuit jusqu'à convergence. Ainsi, la contrainte σ(n+1) et l'endommagement mécanique D(n+1)M peuvent être calculés selon l'algorithme de mise à jour suivant.
Conclusions
L'objectif de ce chapitre est d'analyser l'influence de la morphologie et de la répartition des granulats sur le comportement du béton à haute température. Il convient également d'analyser le rôle de cette mésostructure et la manière dont elle est modélisée (morphologie réelle versus morphologie idéalisée) sur le comportement local et global des THM.
Caract´eristiques des composantes du b´eton
Le fluide utilisé pour mesurer la perméabilité intrinsèque est le gaz. Une manière plus rigoureuse aurait été de simuler le comportement THM du mortier à l'échelle de la pâte.
Analyse pr´eliminaire
La modélisation se fait initialement avec deux calques distincts. L'évolution de la température dans les deux couches est représentée sur la figure 3.2.
Mod´elisation bi-dimensionnelle `a l’´echelle m´esoscopique
- Configuration d’´etude
- Maillage du b´eton
- Condition initiale et condition aux limites
- Dispositif de mesure de pression et de temp´erature
- R´esultats et analyse
- Perte de masse globale
- Temp´erature
- Pression de gaz
- Endommagement et d´eformation des ´eprouvettes
Il convient alors de présenter et d'analyser les variations de pression des gaz dans cette zone. La figure 3.16 montre les évolutions dans le temps de la pression moyenne du gaz aux points indiqués pour les deux vitesses de chauffe.
Mod´elisation m´esoscopique tri-dimensionnelle
Configuration d’´etude
Deux vitesses de chauffage sont également considérées : à une vitesse de 1 °C/min et à une vitesse de 5 °C/min à partir d'une température initiale de 20 °C (Figure 3.26). Pour la condition initiale, la température est de 20 °C et la saturation est de 63 %.
R´esultats et analyse
- Perte de masse globale
- Temp´erature
- Pression de gaz
La température centrale est obtenue en mesurant sur le cylindre central déjà utilisé pour la post-pressurisation. Enfin, il convient de noter que les fluctuations de température dans le boîtier 3D le sont.
Endommagement du VER
Conclusions
Ce chapitre inclut la modélisation de l'essai PTM (P pour pression, T pour température et M pour masse, grandeurs mesurées lors de l'essai) du CSTB [96]. L'essai PTM, réalisé par Mindeguia dans le cadre de ses travaux de fin d'études [96] avec chauffage modéré et béton B40C (béton ordinaire à granulats calcaires), a été choisi pour la modélisation.
Configuration d’essai ´etudi´ee
Cinq sondes ont été placées à 50 mm de la surface chauffée pour mesurer la pression et la température à ces profondeurs. Il y a aussi un tube placé à 2 mm de la surface chauffée pour mesurer la température de la surface (environ).
Caract´eristiques du b´eton et de ses constituants
Cependant, comme nous l’avons présenté dans le chapitre précédent, le fluide utilisé pour mesurer la perméabilité intrinsèque est le gaz. Il est à noter que le coefficient de dilatation de la pâte de ciment [44] n'est pas un paramètre intrinsèque : les valeurs mesurées dépendent du séchage et de la cinétique de séchage.
Simulations num´eriques
Domaine ´etudi´e
Maillage
Conditions initiales et aux limites
La teneur massique en eau et le degré de saturation de l'essai au jour de l'essai sont respectivement. Il est très probable que cette condition soit plus restrictive que les conditions réelles dans la zone centrale du spécimen.
Confrontation des r´esultats de simulations et comparaison avec les essais 135
Temp´erature
- Iso-valeurs de la temp´erature
- Evolution de la temp´erature en fonction du temps `a
La figure 4.8 présente les valeurs iso de température d'essai obtenues à partir de. Les figures montrent une comparaison des évolutions de température en fonction du temps à cinq positions 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm et 50 mm de la surface chauffée obtenues à partir de la simulation macroscopique, des simulations mésoscopiques et des deux essais. .
Pression de gaz
- Iso-valeurs de la pression de gaz
- Evolution de la pression de gaz en fonction de
- Evolution de la pression de gaz en fonction du temps `a
Le trait plein représente l'évolution de la pression du gaz obtenue par la simulation macroscopique. Les courbes en pointillés avec oscillation représentent l'évolution de la pression du gaz.
Endommagement
Les figures 4.23 et 4.24 montrent les iso-valeurs des dommages issues de deux simulations à l'échelle mésoscopique. Les dégâts proviennent également de la surface chauffée mais la répartition des dégâts n'est plus homogène.
Morphologie r´eelle vs. morphologie id´ealis´ee
Conclusions
La répartition de la pression dans le mortier dépend fortement de la présence d'additifs. La pression moyenne du gaz à la même profondeur dans la simulation mésoscopique est presque identique à la pression dans la simulation macroscopique.
Mat´eriel exp´erimental
Dispositif exp´erimental
Le récipient de stockage est placé de manière à ne pas gêner la pesée du sujet de test. Le dispositif de chauffage est constitué d'un ensemble d'éléments rayonnants qui couvrent toute la surface de l'éprouvette et sont situés 3 cm au-dessus de celle-ci.
Implantation des sondes dans l’´eprouvette
Du point de vue de l'interface avec l'extérieur, les surfaces de l'échantillon sont exemptes d'échange d'eau (échantillon non scellé). Un bac de rétention est placé entre l'éprouvette et la balance pour retenir l'eau sortant de l'arrière de l'éprouvette afin qu'elle ne coule pas sur la balance et ne soit pas prise en compte lors de la pesée de l'éprouvette lors du chauffage.
Description des sondes
L'autre extrémité du tube, qui sort au niveau inférieur (non chauffé) du tube à essai, est munie d'un connecteur étanche qui permet dans un premier temps de connecter la sonde à un transducteur de pression piézoélectrique fixé au bâti relié De cette manière, le dispositif permet de mesurer simultanément et au même endroit la pression du gaz et la température de l'échantillon de béton.
Formulation des b´etons et mortier
Les courbes granulométriques du gravier et du sable sont présentées sur la figure 5.4. Aide : Afin de maintenir une ouvrabilité satisfaisante lors du coulage des corps d'essai, un plastifiant réducteur d'eau est utilisé.
Confection, conservation et ´etat hydrique des corps d’´epreuve avant essai 161
Conservation et ´etat hydrique initial des corps d’´epreuve
Les échantillons témoins sont considérés comme secs lorsque la différence entre deux poids consécutifs espacés de 24 heures est de l'ordre de la résolution de la balance utilisée (0,1 g dans notre cas). Les éprouvettes témoins sont considérées comme saturées lorsque l'écart entre deux pesées consécutives est de l'ordre de la résolution de la balance (dans notre cas 0,1 g).
R´esistance `a la compression `a 28 jours
Sollicitations thermiques
Des simulations préliminaires montrent que les courbes de température au niveau de la surface chauffée et à 2 mm de celle-ci sont similaires. La figure 5.7 montre les profils pour les températures souhaitées et atteintes à 2 mm de la surface chauffée pour les deux chauffages à 1◦C/min et 5◦C/min.
R´esultats et discussions
Chauffage 1 ◦ C/ min
- Temp´erature
- Perte de masse
- Pression
La figure 5.11 montre l'évolution de la pression du gaz en fonction du temps dans des tubes à essai PTM chauffés à 1◦C/min. Celles mesurées à 40 mm de la surface chauffée montrent une différence de l'ordre de 0,22 MPa.
Chauffage 5 ◦ C/ min
- Temp´erature
- Perte de masse
- Pression
Notons également que cette apparition d'eau autour des sondes et sur les parois latérales ne se produit quasiment pas lors d'un chauffage à 1◦C/min. A noter que dans les éprouvettes B40C et M40, nous avons également observé des réseaux de fissures assez similaires à ceux de l'éprouvette B40SC, mais n'avons observé aucun effritement.
Conclusions
La variabilité de la pression à une profondeur donnée dans le mortier (échantillon M40 20×60) est quasiment nulle. Il s'agit de modéliser explicitement le capteur de pression en tenant compte de la mésostructure.
