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Résistance au feu de structures en béton: matériaux avancés et béton durable
Mark F. Green
Queen’s University at Kingston
1
Auteurs:
John Gales
Tom Parker
Hamze Hajiloo
Martin Noël
Duncan Cree
Luke Bisby
Plan
• Matériaux avancés
– Définition
– Essais à des températures élevées
• Béton durable
– Essais mécaniques
– Essais sur dallettes soumis à une température élevée
– Analyse après chauffage
• Conclusion
2
Confection des éprouvettes cubiques et dallettes
barres de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV)
Importance de cette étude
• Besoin croissant de protection contre les incendies
• Les applications des barres d’armature de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) augmentent
• Les barres de PRFV sont affectées par les températures élevées
• L’approvisionnement des granulats recyclés a un impact environnemental:
Gaz à effet de serre
Epuisement des carrières
Energivore
• Incertitude de la résistance au feu des strucutres en béton de granulats de béton recyclé
3
Baku, Azerbaijan, le 19 mai 2015
http://en.trend.az/
4
Mèches de
fibres de
verre
Mèches de
fibres de
carbone
Barre de PRF
de verre
unidirectionnel
Tendon de
PRF de
carbone
(précontrainte)
Grille de
PRF de
aramide
Exemples de PRF
Fibres à haute résistance dans une matrice de polymère
PRF Recherche
• Objectif: Quantifier la détérioration de la résistance de barres de PRFV à des températures élevées
• Méthodologie: 1. Condition de température constante
• L'armature est chauffée jusqu'à une température spécifiée, puis l’échantillon chauffé est soumis à une charge croissante jusqu’à la charge de rupture.
2. Condition de température transitoire
• L'armature est soumise à différents niveaux de charge initiale avant l’augmentation de température.
5
Protocole
6
Barre
Température constante (°C) Température transitoire
(kN)
25 150 200 250 300 350 400 75 120 160 180 200
A 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
B 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
C 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
Essai de traction
7
Mesure de la résistance à température constante (barre A)
8
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
50
100
150
200
250
300
350
0 100 200 300 400 500
Ch
arge
no
rmal
isé
e
Ch
arge
de
ru
ptu
re (
kN)
Température (°C)
50 % de la charge ultime
25 % de la charge ultime
Mesure de la résistance à température constante (barre B)
9
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
50
100
150
200
250
300
0 100 200 300 400 500
Ch
arge
no
rmal
isé
e
Ch
arge
de
ru
ptu
re (
kN)
Température (°C)
50 % de la charge ultime
25 % de la charge ultime
Faciès de rupture…
10
Coffrages de dalles
Dalles placées sur le four
Chargement uniformément réparti sur les dalles
Essais au feu
Résultats d’essais au feu: évolution de températures
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200
Tem
pé
ratu
re (
°C)
Temps (min)
ASTM-E119
PT-C3-60mm
PT-C7-180mm
Béton durable:
Essais à des températures élevées
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Granulats de béton recyclé
Recherche effectuée sur des bétons de structure confectionnés au laboratoire
• Granulats issus d’un béton C40/50 de dalle (partie de dalle non chauffée).
• Tamisage – Taille maximale des grains de 10 mm - Teneur en eau <4%.
• Combinaison de granulats siliceux et calcaires 14
Fabrication du béton
Trois compositions de béton: • Même type de ciment, granulats et eau. • Variation des granulats en fonction de la
composition: 100% calcaire; 100 recyclés et 30% de granulats recyclés et 70% de granulats calcaires.
• Fabrication des bétons conformément aux normes CSA.
Deux formes d’éprouvettes: • Eprouvettes cubiques 100 x 100 x 100
mm3. • Dallettes de 500 x 200 x 50 mm².
• Conservation plus de 6 mois.
15
Nombre d’éprouvettes limité compte tenu du volume du malaxeur.
Essais mécaniques à haute température
16
Essais sur éprouvettes cubiques
• Résistance à la compression : 20°C et 500°C.
• 2 éprouvettes par cycle de chauffage et composition de béton.
• Vitesse de déplacement: 0.5mm/min.
• Vitesse de chauffage 2°C/min avec un palier de 2 heures
Essais sur éprouvettes cubiques réalisés à Queen’s University
Presse mécanique Instron 600LX équipée d’un dispositif de chauffage
Essais mécaniques à haute température
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Mesure de la déformation par correlation d’images
• Mesures à des fréquences de 1 Hz (Gales et al. 2012)
• Utilisation du logiciel GeoPIV8 pour le traitement d’images, précision de 0.1px.
• Utilisation de Canon EOS 5D mark III pour la corrélation d’images.
Eprouvette recouverte de peinture (noir moucheté de blanc).
Résistance à la compression
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Essais sur éprouvettes cubiques
• Arrêt des essais lorsque la charge critique est atteinte.
• Fissurations observées le long des bords des éprouvettes cubiques.
• Gain de résistance des bétons de granulats recyclés observé à la température ambiante.
• Perte de résistance des bétons de granulats recyclés à la température de 500°C (25% comme Eurocode)
Essai de compression
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02
Compressive strain (px/px)
Co
mp
ress
ive s
tress
(M
Pa)
0% RCA at 20°C
0% RCA at 500°C
30% RCA at 20°C
30% RCA at 500°C
100% RCA at 20°C
100% RCA at 500°C
Comportement thermique
19
Essais sur dallettes
• 2 Dallettes par composition de béton.
• Chauffage en 1 heure.
• Mesure de température et déplacement.
• Dallettes non chargées.
Dallettes chauffées à l’université de Edinburgh
Dispositif H-tris avec une méthode de calibration.
Température
20
Flux de chaleur constant
• Flux constant de 65 kw/m².
• Chauffage équivalent au feu ASTM E119 sur une surface.
• Comparaison du gradient thermique.
• Données d’entrée pour la simulation numérique.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 10 20 30 40 50 60
Time (mins)
Tem
per
atu
re (
ºC)
RCA 0% Tes t 1_Exposed Soffit
RCA 0% Tes t 2_Exposed Soffit
RCA 30% Tes t 1_Exposed Soffit
RCA 30% Tes t 2_Exposed Soffit
RCA 100% Tes t 1_Exposed Soffit
RCA 100% Tes t 2_Exposed Soffit
Mesure de la température sous face
Comparaison du gradient thermique
21
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60
Tem
pera
ture
(ºC
)
Time (mins)
RCA 30% Test 1_Exposed Soffit RCA 30% Test 1_Unexposed surfaceRCA 30% Test 1_Thermal gradient RCA 30% Test 2_Exposed Soffit RCA 30% Test 2_Unexposed surfaceRCA 30% Test 2_Thermal gradient
Evolution des températures des deux dallettes contenant 30% de granulats recyclés
Gradient thermique
• Différence entre la température de surface et sous face.
Résultats sur dallettes
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Comparaison du gradient thermique pour les différentes dallettes
• Baisse du gradient thermique après la fin du palier d’humidité.
• Fortes fissurations et quelques écaillages observés sur 30% des dallettes.
• Faible différence de gradient thermique.
• Faibles différences du gradient thermique montrant l’addition des granulats recyclés est négligeable.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 10 20 30 40 50 60
Time (mins)
Tem
pera
ture
(ºC
)
RCA 100% Tes t 2_Thermal gradient
RCA 100% Tes t 1_Thermal gradient
RCA 30% Tes t 2_Thermal gradient
RCA 30% Tes t 1_Thermal gradient
RCA 0% Tes t 2_Thermal gradient
RCA 0% Tes t 1_Thermal gradient
Après chauffage - MEB
• Echantillons coupés avec une lame en diamant.
• Controle des échantillons après découpe.
• Echantillons pris dans des zones montrant l’interface du mortier recyclé et du nouveau mortier.
• Analyse chimique pour identifier les zones effritées.
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Echantillons de dallettes et d’éprouvettes cubiques analysés au laboratoire QFIR du département de géologie (Queen’s
University).
MEB
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Micro - fissures observées sur les éprouvettes cubiques après chauffage à l’interface du mortier issu du recyclage et le nouveau mortier. Ces fissures s’observent aussi sur les essais sur dallettes au niveau de la
face chauffée.
Conclusion
• Matériaux avancés: barres de PRF de verre – Les deux barres d'armature (type A et B) ont maintenu une
résistance considérable à des températures élevées. – La résistance à la traction des barres de type A diminue
régulièrement avec l’augmentation de la température. Pour des températures supérieures à 350 ° C, la résistance des barres de type B diminue considérablement.
• Béton durable: Granulats de béton recyclé – Les valeurs de l'Eurocode actuel pour l'isotherme critique de
500 º C sur la baisse de résistance pourraient être respectées en utilisant les granulats recyclés dans des bétons durables.
– Les essais réalisés sur dallettes montrent un effet négligeable de l’addition des granulats recyclés sur le comportement thermique.
– Diverses études sont identifiées afin de mieux comprendre le béton durable de granulats recyclés et son utilisation.
Remerciements:
• Technical assistance from: Dr. A Take, Dr. A Dobosz JP Hidalgo-Medina, C Maluk, and Z Triantafyllidis; Université de Sherbrooke (B. Benmokrane, H. Mohamed,
personnel technique) Conseil national de recherches du Canada (M. Sultan, N.
Benichou, H. Mostafaei, personnel technique) • Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
(NSERC): Discovery, Fellowship, CRD and CREATE programs. • The Ove Arup Foundation, Ove Arup and Partners Limited,
the Royal Academy of Engineering, and the Leverhulme Trust • MITACS Canada, Ministère des Transports de l’Ontario
(MTO), Pultrall Inc., BP Composites Ltd.
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The Ove Arup Foundation
