Comportement au feu, écaillage et durabilité résiduelle de bétons à base de granulats de béton recyclés

Fire behaviour, spalling and residual durability of concrete made with recycled concrete aggregates

• Auteur / Autrice : Bruno Fernandes
• Direction : Hélène Carre, Christian Laborderie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences pour l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie électrique - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Torrenti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Carre, João Paulo Correia Rodrigues, Martin Cyr, Fabienne Robert, Christian La Borderie, Céline Perlot, Jean-Christophe Mindeguia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : João Paulo Correia Rodrigues, Martin Cyr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Granulats

Mots clés libres

Granulats de béton recyclés

Haute température

Propriétés mécaniques

Propriétés thermiques

Durabilité

Écaillage

Recycled concrete aggregates

High temperature

Mechanical properties

Thermal properties

Durability

Spalling

Résumé

Au cours des dernières décennies, l'utilisation de granulats de béton recyclés (GRB) s'est avérée être une bien adapte pour fabriquer du béton avec un moindre impact environnemental. Ces bétons présentent des propriétés similaires à celles des bétons conventionnels et peuvent atteindre de bonnes performances. Cependant, son utilisation plus courante nécessite une meilleure compréhension de son comportement au feu, un paramètre critique pour les structures. Le béton à base de GRB présente des propriétés spécifiques qui peuvent conduire à un comportement différent (porosité plus élevée, teneur en eau et interfaces différentes). Dans ce contexte, l'étude présentée avait pour objectif d'effectuer une évaluation complète du comportement au feu et à haute température du béton fabriqué avec des GRB. Tout d'abord, différents mélanges de béton à base de GRB ont été conçus. Ces mélanges avaient différents taux de remplacement (de 0% à 100%) et différentes méthodes de remplacement (remplacement direct et remplacement basé sur la résistance). Le deuxième mode de substitution avait pour but d'atteindre les mêmes performances (résistance à la compression et affaissement) que le béton fabriqué avec granulats naturel (GN). Ensuite, une campagne expérimentale sur le comportement à haute température a été réalisée. La première campagne a porté sur les propriétés thermomécaniques résiduelles. Les mélanges de béton ont été chauffés et, après refroidissement, soumis à des essais pour déterminer les propriétés mécaniques, thermiques et microstructures. La deuxième campagne portait sur le risque d'écaillage au feu. Des prismes de béton ont été exposés à un chauffage feu standard (ISO 834-1) et à un chargement de compression uniaxiale. Une campagne d'essais au feu supplémentaire a également été réalisée pour évaluer l'effet des profils de teneur en eau sur le risque d'écaillage. Pour finir, la durabilité après chauffage et refroidissement a été évaluée via l'approche performantielle. Les résultats montrent que bétons à base de GRB voient leurs propriétés thermiques et mécaniques du béton diminuées après exposition à haute température, mais la réduction était similaire à celle observée dans le béton fabriqué avec des GN. Un comportement encore plus proche a été observé si le béton fabriqué avec GRB était optimisé. Les essais au feu ont montré que le béton fabriqué avec des GRB présentait un degré d'écaillage plus élevé que le béton fabriqué avec des GN, ce qui est associé aux propriétés physiques du béton, en particulier sa teneur en eau. Les résultats de la campagne complémentaire ont confirmé que le risque d'écaillage était fortement lié à la teneur en eau. En effet, le séchage a réduit le risque d'écaillage dans tous les mélanges étudiés. Enfin, l'exposition à des températures élevées a entraîné une diminution de tous les paramètres de durabilité pour tous les bétons étudiés. L'ajout de RCA a réduit les performances, mais, comme dans le cas des propriétés thermomécaniques résiduelles, cette diminution peut être atténuée avec une optimisation appropriée du mélange. Cette étude a donné un aperçu du comportement du béton fabriqué avec des GRB après exposition à haute température. Les résultats présentés ici peuvent servir de référence pour différents aspects du comportement au feu des structures en béton fabriquées avec des GRB.

In the last decades, the use of recycled concrete aggregates (RCA) has proven to be a possible solution for making concrete with less environmental impact. This concrete has shown similar properties to conventional concrete and can reach an adequate performance. However, its broader application depends on a better understanding of its fire behaviour, a critical factor for structures. Concrete made with RCA presents specific properties that may lead to a particular behaviour (higher porosity, water content and different interfaces). Within this context, the present work had the aim to do a comprehensive evaluation of the fire and high temperature behaviour of concrete made with RCA. First, different concrete mixes made with RCA have been designed. These mixes had different replacement rates (from 0% to 100%) and different replacement methods (direct replacement and strength-based replacement). The latter was designed to achieve the same performance (compressive strength and slump) as concrete made with natural aggregates (NA). Then, a comprehensive experimental campaign on elevated temperature behaviour was done. The first campaign was on the residual thermomechanical properties. The concrete mixes were heated and, after cooling, subjected to mechanical, thermal and microstructural evaluations. The second campaign was on fire spalling behaviour. In this, concrete prisms were exposed to the standard fire curve (ISO 834-1) and uniaxial loading. An additional spalling campaign was also made to evaluate the effect of water content profiles on the spalling risk. Finally, post-heating durability after heating and cooling was evaluated in the light of performance-based approaches. Results show that RCA affects concrete's thermal and mechanical properties after high temperatures, but the reduction was similar to what was observed in concrete made with NA. An even closer behaviour was observed if concrete made with RCA was optimised. From the fire tests, it was seen that concrete made with RCA exhibited a higher spalling degree than concrete made with NA, and this is associated with the physical properties of concrete, particularly water content. The results from the complementary campaign confirmed that spalling was strongly sensitive to the water content and the drying profile. The drying of the concrete samples reduced the risk of spalling in all studied mixes. Lastly, exposure to high temperatures resulted in a decrease in all durability parameters for all studied concretes. The addition of RCA reduced the performance, but, as in the case of residual thermomechanical properties, this decrease can be reduced with a proper mix optimisation. This study provided an overview of the behaviour of concrete made with RCA after exposure to elevated temperatures. The results herein presented may serve as a reference for different aspects of the fire behaviour of concrete structures made with RCA.