Experimental contribution to the understanding of the thermal instability risk of concrete
Contribution expérimentale à la compréhension des risques d'instabilité thermique des bétons
Résumé
The spalling of concrete is a particular phenomenon which could seriously jeopardize the stability of a structure during and after a fire. Moreover, the reparation costs of the damages induced by spalling can be very important. Recently, some studies (mainly theoretical), have tried to find the most probable causes of concrete spalling. In particular, these studies tried to establish the relative importance of mechanisms such as thermo-mechanical or thermo-hydral processes for the appearance of spalling. However, we still do not exactly know the conditions of spalling and this phenomenon is still not predictable by calculations. Moreover, the existing technological solutions against spalling risk (polypropylene fibres or thermal protection) are still not well controlled.
The experimental results that we present take place in a global study of the spalling risk of concrete. An ordinary concrete (compressive strength 40 MPa) and a high performance concrete (compressive strength 60 MPa) have been tested under different levels of observation. At the material scale, the evolution with temperature of several properties has been assessed: gas permeability, water porosity, thermal properties and mechanical properties. These tests have been completed by the measurement of gas pressure into small concrete samples during low heating. At last, fire tests (ISO curve and Modified Hydrocarbon Curve) have been carried out on concrete slabs in order to observe the spalling of concrete.
The confrontation of the different experimental results allows us to discuss about the contribution of different parameters on spalling risk. At last, we suggest some new ways of investigation.
The experimental results that we present take place in a global study of the spalling risk of concrete. An ordinary concrete (compressive strength 40 MPa) and a high performance concrete (compressive strength 60 MPa) have been tested under different levels of observation. At the material scale, the evolution with temperature of several properties has been assessed: gas permeability, water porosity, thermal properties and mechanical properties. These tests have been completed by the measurement of gas pressure into small concrete samples during low heating. At last, fire tests (ISO curve and Modified Hydrocarbon Curve) have been carried out on concrete slabs in order to observe the spalling of concrete.
The confrontation of the different experimental results allows us to discuss about the contribution of different parameters on spalling risk. At last, we suggest some new ways of investigation.
L'instabilité thermique des bétons est un phénomène particulier pouvant être préjudiciable pour la stabilité d'une structure pendant et après un incendie. Les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées par instabilité thermique du béton sont généralement très élevés.
Ces dernières années, des études majoritairement théoriques ont tenté d'examiner les causes possibles à l'instabilité thermique des bétons. En particulier, de nombreuses discussions autour de l'importance relative des mécanismes thermomécaniques et thermo-hydriques ont été menées. Cependant, nous ne connaissons toujours pas aujourd'hui les conditions exactes d'apparition de l'instabilité thermique et les solutions technologiques qui existent (fibres de polypropylène, protection thermique rapportée) ne sont pas bien maîtrisées.
Les résultats que nous présentons s'inscrivent dans une étude globale des risques d'instabilité thermique des bétons. Plusieurs échelles d'observation du comportement à haute température d'un béton ordinaire (résistance à la compression de 40 MPa) et d'un béton à hautes performances (résistance à la compression de 60 MPa) ont été adoptées. A l'échelle du matériau, la détermination de l'évolution avec la température de données telles que la perméabilité, la porosité, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques nous permettent de mieux comprendre le comportement du béton à haute température. Ces essais sont complétés par des mesures de pression et de température sur des éprouvettes à taille réduite. Enfin, des essais au feu sur dallettes (feu ISO et feu HCM) ont été réalisés afin de caractériser l'instabilité thermique des bétons.
La confrontation des résultats des essais à différentes échelles nous permet de discuter des paramètres qui semblent être les plus propices à l'instabilité thermique et proposons de nouvelles pistes d'investigation.
Ces dernières années, des études majoritairement théoriques ont tenté d'examiner les causes possibles à l'instabilité thermique des bétons. En particulier, de nombreuses discussions autour de l'importance relative des mécanismes thermomécaniques et thermo-hydriques ont été menées. Cependant, nous ne connaissons toujours pas aujourd'hui les conditions exactes d'apparition de l'instabilité thermique et les solutions technologiques qui existent (fibres de polypropylène, protection thermique rapportée) ne sont pas bien maîtrisées.
Les résultats que nous présentons s'inscrivent dans une étude globale des risques d'instabilité thermique des bétons. Plusieurs échelles d'observation du comportement à haute température d'un béton ordinaire (résistance à la compression de 40 MPa) et d'un béton à hautes performances (résistance à la compression de 60 MPa) ont été adoptées. A l'échelle du matériau, la détermination de l'évolution avec la température de données telles que la perméabilité, la porosité, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques nous permettent de mieux comprendre le comportement du béton à haute température. Ces essais sont complétés par des mesures de pression et de température sur des éprouvettes à taille réduite. Enfin, des essais au feu sur dallettes (feu ISO et feu HCM) ont été réalisés afin de caractériser l'instabilité thermique des bétons.
La confrontation des résultats des essais à différentes échelles nous permet de discuter des paramètres qui semblent être les plus propices à l'instabilité thermique et proposons de nouvelles pistes d'investigation.
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