Formulation et tenue au feu des matériaux cimentaires renforcés de fibres de différentes natures
Institution:
Rennes, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
At room temperature, the addition of steel fibres in mortar conducts to an increase of mechanical strength and ductility. Exposed to high temperatures, a cement based material undergoes deterioration to a greater or lesser extent. Heat induces various changes of material properties; in particular changes to the micro-structure which are accompanied by loss of strength and mass. The aim our study is an experimental contribution about behaviour under extreme conditions in terms of temperature (e. G. Fire), of mortar reinforced by different fibres: steel fibres, polypropylene fibres and a hybrid fibre combination (½ steel fibres + ½ polypropylene fibres). Three types of standard mortar were studied, formulated with three different binders: CEM I, CEM I + SF and CEM III. Two types of cure were used: a dry cure and a wet cure. For the mortars with fibre addition, the fibre content was 0. 58% by volume. The exposure temperatures were set at 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C and 1000°C. The rate of temperature increase was set at 2°C/min and 5°C/min. The mechanical properties (flexure strength, Young modulus, cracking energy, stress intensity factor, toughness factor, compression strength) were analysed before and after heating. A specific test using propane flame was defined. The rate of temperature increase is very elevated; the exposed face rapidly reaches a temperature of 1000°C. Samples were equipped with thermocouples to measure the temperature changes within the sample at different depths. Subsequently, to enable a comparison between the mechanical strength of samples a punching shear strength test was performed. A non-destructive characterisation of all mortars before and after heating was conducted: water capillarity absorption, interconnected porosity, helium permeability, ultrasonic pulse velocity, ultrasonic attenuation. Finally, our experimental study proposes a mortar formulation giving a good behaviour under severe temperatures and giving better residual mechanical properties.
Abstract FR:
L’introduction de fibres d’acier dans un mortier ordinaire permet d’obtenir une augmentation de la résistance mécanique et de la ductilité à température ambiante. Lors d’expositions à des températures élevées, un matériau cimentaire renforcé par des fibres d’acier subit un endommagement plus ou moins important. Le chauffage induit différentes modifications de ses propriétés et, en particulier, des changements de microstructure accompagnés de perte de résistance mécanique et de masse. Notre étude consiste à tester d’une façon expérimentale la contribution de fibres d’acier, de fibres polypropylène et un ensemble mixte (½ fibres d’acier + ½ fibres polypropylène) sur les risques d’instabilités mécaniques et thermiques des matériaux cimentaires lors des expositions à températures élevées et à des essais à la flamme. Les mortiers testés sont des mortiers normalisés, composés de trois types de liants différents : CEM I, CEM I + FS et CEM III en considérant deux modes de cure : cure sèche et cure humide. Ces mortiers sont renforcés avec une portion volumique de 0,58% en fibres. Les échantillons, issus de ces compositions, ont été soumis à des cycles de chauffage refroidissement de la température ambiante à une température de consigne de 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C et 1000°C avec des vitesses de montée de température de 2°C/min et 5°C/min. Les propriétés mécaniques de ces mortiers (la résistance en traction par flexion, le module d’élasticité, l’énergie de fissuration, le facteur d’intensité de contrainte, l’indice de ténacité, la résistance en compression) sont analysées à l’état sain et chauffé. Un essai spécifique est mis au point pour tester les mortiers à la flamme propane. Le traitement thermique a été réalisé avec une vitesse de montée en température très rapide. La température atteint 1000°C à la face exposée à la flamme. Après avoir déterminé la propagation de la chaleur à travers les éléments fibrés, ceux-ci sont soumis à un poinçonnement ; ainsi cet essai a permis de comparer les résistances résiduelles après cette simulation d’incendie. La caractérisation non destructive de tous les mortiers dans leur état initial par la mesure de ses propriétés physiques et les effets d’une élévation de température sur ces propriétés ont été également analysés. Le choix des techniques de caractérisation de l’état initial du matériau et l’état dégradé sous l’effet d’un traitement thermique est abordé par les mesures d’absorption d’eau par capillarité, la porosité communicante, la perméabilité au gaz, la vitesse de propagation des ondes ultrasonores et leur atténuation. Cette étude expérimentale aboutit à la formulation de mortiers dont à la fois la stabilité thermique à haute température n’a pas été mise à défaut dans les conditions expérimentales et les caractéristiques mécaniques résiduelles sont nettement améliorées.