Etude du comportement au feu de bétons avec différents dosages en fibres de polypropylène et en fibres métalliques Nonna Yermak, Prosper Pliya , Anne-Lise Beaucour, Albert Noumowé, Alain Simon, Philippe Gotteland

Plan de présentation 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 1. Introduction 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 4. Conclusion et perspectives

Plan de présentation 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 1. Introduction 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 4. Conclusion et perspectives

Comportement des bétons au feu 1. Introduction: Comportement des bétons au feu Dispersion de morceaux de béton Position initiale Eclatement d’éprouvette de 70 MPa, P. PLIYA 2010 Tour Windsor 2005, Dégradation de la partie en béton Porte Bagnolet 2012, Incendie de la rampe d’accès

Paramètres influents: 1. Introduction Paramètres influents: Etat hydrique du béton Compacité de la matrice Vitesse de chauffage Nature des granulats… Mécanismes de l’instabilité thermique: Processus thermohydrique (a): formation de fortes pressions de vapeur ([Harmanthy, 1965], [Anderberg, 1997]) Phénomène couplé Processus thermomécanique (b): contraintes de compression parallèles à la surface chauffée ([Bazant, 1997], [Ulm, 1999])

Endommagement du béton en fonction de la température 1. Introduction Endommagement du béton en fonction de la température P. PLIYA, 2010

Plan de présentation 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 1. Introduction 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 4. Conclusion et perspectives

Sollicitation de type ISO 2. Démarche expérimentale Objectif: Etude des paramètres de formulation en vue d’améliorer la stabilité thermique et les performances mécaniques résiduelles des bétons Influence des dosages/géométrie de fibres de polypropylène et métalliques Influence de l’état d’humidité Influence de la nature des granulats (calcaire et silex) Sollicitation de type ISO

Fibres de polypropylène [kg] Fibres métalliques [kg] 2. Démarche expérimentale Formulations de béton Bétons Nature des granulats Fibres de polypropylène [kg] Fibres métalliques [kg] Rc à 28j [MPa] Bétons de référence Créf (C) Calcaire - 65 ± 2,1 Créf (C) drying Créf (X) Silex 53,9 ± 2,4 Bétons de fibres de polypropylène CPP 0,75 0,75 61,8 ± 0,9 CPP 1,5 (12 mm) 1,5 66,6 ± 1,6 CPP 1,5 (6 mm) Béton de fibres métalliques CS 60 60 79 ± 2,4 Bétons de cocktail de fibres de polypropylène et métalliques CPPS 0,75 - 30 30 CPPS 1,5 - 30 67,9 ± 1,2 CPPS 0,75 - 60 CPPS 1,5 - 30 (X) 55,0 ± 2,5 E/C = 0,38 pour tous les bétons

2.Démarche expérimentale Matériaux Type Caractéristiques Ciment CEM I 52,5 98% de clinker de Villiers au Bouin et 2 % de fines de cru Fibres de polypropylène Monofilaments fins de forme cylindrique 6mm*32µm 12mm*32µm Fibres métalliques RC-80-30 CP en crochet 30mm*380µm Gravillons Calcaire du Tournaisis, concassés Classe granulaire 4/10 Wa24 = 0,5% Silico-calcaire d’Achères, Semi-concassé (70 % silex) Wa24 = 2% Sable Calcaire du Tournaisis (50%) Alluvionnaire (50%) Classe granulaire 0/4 Wa24 = 0,67% Silico-calcaire d’Achères Wa24 = 0,96%

« non-drying concrete » 2. Démarche expérimentale Différents modes de conservation Mode 1 « non-drying concrete » Sacs plastiques étanches à la température de 20 ± 2°C jusqu’au jour du chauffage RILEM 200-HTC Mode 2 « drying concrete » Pendant au moins 90 jours Air à 20 ± 2°C avec HR de 50 ± 5% Conservées 7 jours dans les moules Mode 3 EUROCODE 2, partie 1-2 Pour les bétons C55/67 à C80/95 et si la teneur en fumée de silice est inférieure à 6% de ciment : pas d’éclatement si la teneur en eau < 3%. Sacs plastiques étanches jusqu’à 80 jours, ensuite à l’air libre jusqu’à une teneur en eau comprise entre 3-4%

Plan de présentation 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 1. Introduction 2. Démarche expérimentale 3. Résultats 4. Conclusion et perspectives

Etat d’humidité des éprouvettes en fonction du mode de conservation 3. Résultats Etat d’humidité des éprouvettes en fonction du mode de conservation Mode 1 (« non drying concrete »): W0 = 4.5% – 5% Mode 2 (« drying concrete »): W0 = 2.1 % Mode 3: W0 = 3,5% - 4% Wo est déterminée par méthode destructive pour chaque formulation de béton

Disposition et instrumentation des éprouvettes avant chauffage 3. Résultats Disposition et instrumentation des éprouvettes avant chauffage Thermocouple du four Minimum 10 éprouvettes par formulation 22 thermocouples au centre de l’éprouvette 15 thermocouples du four Eprouvettes équipées de thermocouples au centre

Courbes de chauffage – refroidissement dans le four 3. Résultats Courbes de chauffage – refroidissement dans le four Tf max – 1087 °C Tf min – 1041 °C Les thermocouples sont placés à différents endroits dans le four afin de vérifier l’homogénéité de température

Evolution de la température au centre de l’éprouvette 3. Résultats Evolution de la température au centre de l’éprouvette T, °C t, min Tc max mesurée – 830 °C Tc min mesurée – 749 °C Différence entre Tc max et Tc min est de 81°C Palier 100°C - 150°C – déshydratation et vaporisation de l’eau du béton Les trois modes de conservation ne semblent pas influencer l’évolution de la température au centre de l’éprouvette

3. Résultats Perte de masse Décarbonatation des granulats calcaires entraine une forte perte de masse par rapport aux granulats de silex (1-3 % de différence) Le détachement des morceaux de béton a provoqué une perte de masse plus significative de la formulation CS60

Béton de référence Créf(C) Décarbonatation de la calcite 3. Résultats: Caractérisation de l’écaillage Béton de référence Créf(C) Ecaillage non observé A noter: Fissurations à l’intérieur de l’éprouvette Décarbonatation de la calcite CaCO3→CaO+CO2

Béton de référence Créf(X) 3. Résultats Béton de référence Créf(X) A noter: Ecaillage de granulat≈ 3 cm

Béton de cocktail de fibres CPPS 1,5 – 30 (X) 3. Résultats Béton de cocktail de fibres CPPS 1,5 – 30 (X) A noter: Eclatement des granulats de surface ≈ 2 cm Surface écaillée ≈ 2,1 %

Béton de fibres de polypropylène CPP 0,75 et CPP 1,5 3. Résultats Béton de fibres de polypropylène CPP 0,75 et CPP 1,5 A noter: fissurations à l’intérieur des éprouvettes

Béton de fibres métalliques CS 60 3. Résultats Béton de fibres métalliques CS 60 Surface écaillée entre 6 % et 27 % Eclatement de surface Eclatement d’angle

Béton de cocktail de fibres CPPS 0,75 - 60 3. Résultats Béton de cocktail de fibres CPPS 0,75 - 60 L'ajout de 0,75 kg/m3 de FPP dans le béton CS 60 évite l'écaillage

Plan de présentation 1. Introduction 2. Essais au feu 3. Caractérisation de l’écaillage 4. Conclusion et perspectives

Conclusions Aucun éclatement explosif d’éprouvette n’a été observé pour les différents modes de conservation testés pour la teneur en eau comprise entre 2% et 5% Parmi les formulations avec les granulats calcaires, seul le béton CS 60 écaille L'ajout de 0,75 kg/m3 de FPP dans le béton CS 60 devenu alors CPPS 0,75-60 a empêché l'écaillage Le granulat de silex entraine une forte fissuration des éprouvettes et écaillage au-dessus de granulat de surface L’ajout de fibres métalliques dans le béton de silex limite l’ouverture des fissures au sein de l’éprouvette

Perspectives Phase de caractérisation: Influence des fibres sur le comportement physique et mécanique résiduelle des bétons en fonction de température Expliquer la différence des stabilités thermiques observées par la mesure des propriétés de transfert des bétons Créf (C), CS 60 et CPPS 0,75-60 Essais au feu en mode unidirectionnelle

Merci de votre attention

Nature et propriétés des fibres Fibres de polypropylène : 12 mm × 32 µm (Duomix) 6 mm × 32 µm (sous programme) (krampeharex) Fibres monofilament Point de fusion: 165°C Densité: 905 kg/m3 Résistance à la traction: 250 N/mm2 Fibres métalliques RC-80/30-CP: 30mm × 380µm (Dramix) Résistance à la traction: 3070 N/mm2 Module de Young: 210 N/mm2

Premier écaillage – CS 60 à 24 min (850°C en surface et 137°C au cœur) Essais au feu Essai au feu Premier écaillage – CS 60 à 24 min (850°C en surface et 137°C au cœur) Fissurations - Créf(X), CPPS 1,5 – 30 (X) après 1h 18min CS 60 Créf(C)

CS 60: Surface écaillée 30 cm