Étude expérimentale et numérique du comportement à haute température du béton de granulat de gneiss et basalte

Experimental and numerical study of behavior at the high temperature of concrete made of gneiss aggregate and basalt aggregate

• Auteur / Autrice : Japhet Tiegoum Wembe
• Direction : Albert Noumowe nchambou, Jean-Marie Bienvenu Ndjaka, Luc Leroy Mambou Ngueyep
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université de Yaoundé I
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2MGC - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe nchambou, Jean-Marie Bienvenu Ndjaka, Luc Leroy Mambou Ngueyep, Siham Kamali, Ruben Mouangue, Hélène Carre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siham Kamali, Ruben Mouangue

Mots clés

Mots clés libres

Béton ordinaire

Granulat de Gneiss

Granulat de Basalte

Sable de rivière

Température

Dilatation thermique

Normal Concrete

Gneiss aggregate

Basalt aggregate

River sand

Temperature

Thermal expansion

Résumé

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la compréhension des phénomènes de stabilité thermique et d'évolution des propriétés des bétons soumis à des températures élevées. Il vise à analyser le comportement à haute température de bétons ordinaires contenant des granulats de carrière (Basalte et Gneiss) couramment utilisés au Cameroun, et particulièrement dans les villes de Yaoundé et de Bafoussam. Deux compositions de béton contenant uniquement des granulats de Gneiss ou des granulats de Basalte sont formulées. Une troisième composition de béton est formulée avec du sable de la rivière Sanaga et des granulats de Gneiss. Le volume de la pâte cimentaire est identique pour les trois compositions de béton. D'une part, les éprouvettes confectionnées sont soumises à un cycle de chauffage-refroidissement rapide à la vitesse de 10°C/minute jusqu'à la température 600°C afin de déterminer la réponse thermique et, d'autre part, à différents cycles de chauffage-refroidissement de 150, 300, 450 et 600°C à la vitesse de 1°C/minute afin de déterminer les propriétés résiduelles. Les propriétés thermiques, physiques et mécaniques des granulats et des bétons sont analysées. A la température ambiante, les bétons étudiés présentent des propriétés mécaniques avoisinantes. Le béton de granulat de basalte a une perméabilité au gaz largement supérieure à celles des bétons de granulat de gneiss. L'essai de réponse thermique à la vitesse de 10°C/minute a montré une sensibilité à l'écaillage autour d'une température de surface comprise entre 300°C et 550°C environ pour les bétons contenant les granulats de gneiss malgré leur faible degré de saturation par rapport à celui du béton de granulat de basalte. Les mesures des coefficients d'expansion thermique des bétons de granulats de gneiss et de basalte sont respectivement de 0,14.10-4/°C et 9,5.10-4/°C. Au cours des différents cycles de chauffage-refroidissement à vitesse lente, aucun phénomène d'éclatement d'éprouvette n'a été observé. Le béton de granulat de gneiss a montré un gain de résistance à la compression à 150°C et 300°C. Une baisse des résistances mécaniques résiduelles est remarquée globalement pour tous les bétons étudiés jusqu'à la température de 600°C. Le béton de granulats de basalte semble être plus endommagé que les autres compositions.Enfin, une simulation numérique est réalisée sur le béton contenant uniquement le granulat de basalte afin d'évaluer les contraintes d'origine thermique et mécanique. Une forte contrainte interne est observée au sein des éprouvettes avant la température de 300°C. Au-delà de cette température critique, les déformations internes augmentent annonçant une dégradation du matériau.

This research work falls within the context of the understanding the phenomena of thermal stability and evolution of the properties of concrete subjected to high temperatures. It aims to analyze the high temperature behavior of normal concretes containing quarry aggregates (Basalt and Gneiss) commonly used in Cameroon, and particularly in the cities of Yaoundé and Bafoussam. Two concrete compositions containing only Gneiss aggregate or Basalt aggregate were formulated. A third concrete composition was formulated with sand from the Sanaga River and Gneiss aggregate. The volume of the cement paste is identical for the three concrete compositions. First, the manufactured specimens were subjected to a rapid heating-cooling cycle at a rate of 10°C/minute up to a temperature of 600°C in order to determine the thermal response and furthermore, to different heating-cooling cycles of 150, 300, 450 and 600°C at a rate of 1°C/minute were carried out in order to determine the residual properties. Thermal, physical and mechanical properties were determined on the aggregates as well as the concretes specimens.At room temperature, the concretes studied showed similar mechanical properties. The basalt aggregate concrete gas permeability was much higher than that of the gneiss aggregate concrete. The thermal response test at a rate of 10°C/minute showed a susceptibility to spalling around a surface temperature of about 300°C to 550°C for the concretes containing the gneiss aggregate despite their low degree of saturation compared to that of the basalt aggregate concrete. The thermal expansion coefficients of the gneiss and basalt aggregates concretes were respectively 0.14.10-4 /°C and 9.5.10-4/°C. During the heating-cooling cycles at a heating rate of 1 °C/min, no specimen spalling was observed. The gneiss aggregate concrete showed a gain in compressive strength at 150°C and 300°C. A decrease of the residual mechanical strength was noticed globally for all the studied concretes until the temperature of 600°C. The basalt aggregate concrete seemed to be more damaged than the other compositions.Finally, a numerical simulation was performed on the concrete containing only basalt aggregate in order to evaluate the stresses of thermal and mechanical origins. A strong internal stress was observed within the specimens before the temperature of 300°C. Beyond this critical temperature, the internal deformations increased announcing a degradation of the material.