Optimization of the Performance of Earth Mortars at Elevated Temperatures

Publisher Copyright: © The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2024.This study investigates the behavior of three earth mortars exposed to elevated temperatures, considering the nature of the aggregates used. Earth mortars made from a combination of a silty-clay earth, silica-calcareous sand (S) and fired bricks waste (W) were investigated. One volumetric fractions of sand/earth and two percentages of sand/fire bricks waste substitution were considered and test specimens were prepared for each mortar. After drying to have constant mass, tests were carried out to determine physical and mechanical properties at room temperature and after being subjected to heating-cooling cycles at temperatures of 200 ℃, 400 ℃, 600 ℃ and 800 ℃. Notable observations were made, in particular the negative effect of the silico-calcareous sand fraction after 400 ℃. At the highest temperature of 800 ℃, mortar containing sand showed significant degradation due to decarbonation of the calcareous aggregate. The effect of using fire bricks waste as additional aggregate was very positive. The results obtained can be used to optimize the performance of earth mortars at elevated temperatures.authorsversionpublishe

Influences des paramètres de formulation sur les retraits des bétons auto-plaçants (BAP) (étude de la pâte et du MBE)

Le comportement de retrait des bétons autoplaçants (BAP) peut être différent de celui des bétons traditionnels vibrés à cause des volumes différents de pâte de ciment et des granulats. En ce basant sur les techniques d'homogénéisation, Le Roy a développé un modèle trisphère concernant le retrait du béton vibré en relation avec celui de la pâte de ciment correspondante. Cette thèse a pour objectif d adapter ce modèle aux bétons autoplaçant pour prédire le retrait du MBE voire du BAP à partir de celui mesuré sur la pâte cimentaire. L étude expérimentale consiste à travailler sur des pâtes cimentaires et des mortiers de bétons équivalents (MBE). Les résultats montrent que le modèle de Le Roy développé pour les bétons vibrés peut être étendu aux bétons autoplaçants. Certains résultats connus sur l'influence du filler calcaire et le rapport E/C ont été confirmés et peuvent être expliqués par les résultats de porosité.Shrinkage behaviour of self-compacting concrete (SCC) can be different from that of traditional vibrated concrete, because of different paste and aggregate volumes. For traditional concrete, shrinkage can be estimated based on shrinkage results obtained on cement paste level.Based on homogenization techniques, Le Roy developed a model relating the shrinkage of concrete to the shrinkage of the representative cement paste, considering a granular coefficient taking into account the elastic properties and the aggregates concentration. The objective of this work is to predict the shrinkage of SCC from that of the cement paste and / or mortars. The trisphere model of Le Roy was adapted to SCC. We worked on cement paste and concrete equivalent mortar (CEM) of two SCC. The results show that autogenous shrinkage increases with decreasing of W/C and A/C ratios contrary to drying shrinkage which increases with higher ratios. These results have been confirmed and can be explained by porosity results. Furthermore, it is shown that the Le Roy model which is used to predict vibrated concrete shrinkage can be adapted to self-compacting concrete.CERGY PONTOISE-BU Neuville (951272102) / SudocSudocFranceF

Propriétés mécaniques et physico-chimiques des bétons autoplaçants exposés à une température élevée

L'utilisation des Bétons autoplaçants (BAP) s'est considérablement développée au cours des dernières années et une attention grandissante est portée à l'étude de leurs propriétés mécaniques à l'état durci. Les spécificités de formulation de ces bétons (volume de pâte important, dosage élevé en additions minérales, rapport G/S (Gravillons/Sable) proche de 1, . . .) liées à leurs exigences de mise en oeuvre pourraient modifier leur comportement mécanique à l'état durci, comparativement aux bétons traditionnels vibres. Le comportement des BAP à haute température doit en particulier être évalué. Les matériaux testés sont 3 bétons de résistance courante dont 2 BAP et un BV. La particularité des BAP est le volume de pâte important. Des essais mécaniques (résistance à la compression, à la traction par flexion 4 points et mesure du module d'élasticité) ont été réalisés. Parallèlement à cela, la détermination de la porosité à l'eau, de la densité apparente, de la perte de masse ainsi que de la perméabilité aux gaz ont été étudiées. De plus, des observations microscopiques couplées à des analyses d'image et des analyses thermiques aident à préciser les causes physico-chimiques des phénomènes macroscopiques observes. Les résultats expérimentaux montrent des comportements significatifs entre les BAP et BV. Les essais de résistance à la compression ont permis de distinguer un gain de résistance entre 150 et 300C. Ce gain est expliqué par une réhydratation de la matrice cimentaire due à la migration de l'eau à travers les pores pour les BAP, mais aussi à de meilleures propriétés liantes des hydrates formés. La réhydratation concerne les éléments anhydres de la pâte de ciment. Parallèlement à cette étude, un travail en collaboration avec l'Université d'Alabama concernant le comportement à haute température des bétons autoplaçants de granulats légers a été réalisé. Cette étude a permis de caractériser les propriétés mécaniques et les propriétés physico-chimiques de BAP de granulats légers (fabriques a Université d'Alabama (USA). Pour cela, des éprouvettes prismatiques et cylindriques ont subi deux traitements thermiques différents : un chauffage de type incendie ISO-834 et un chauffage lent à 1C/min. A travers cette étude, les BAP GN ont présenté une meilleure stabilité thermique a un incendie ISO-834. En ce qui concerne les propriétés physico-chimiques, nous avons constaté une similitude des comportements entre BAP GL et BAP GN du point de vue de la porosité, densité, analyses thermiques. Néanmoins, une diminution de la porosité est observe à 400C. Elle peut être attribuée à un retrait des éprouvettes causant une diminution de volume. D'un point de vue mécanique, les BAP GL présentent une meilleure résistance résiduelle à la compression et à la flexion que le BAP GN. Donc, l'utilisation de GL améliore le comportement mécanique résiduel.The use of Self-consolidating concrete (SCC) has considerably developed during the last years and a growing attention has been brought to the study of its mechanical properties at hardened state. The mixture proportions of SCC (large paste volume, high content of mineral admixtures, coarse to fine aggregates ratio close to 1, . . .) in relation with its placing conditions could modify its mechanical behaviour, comparatively to traditional vibrated concrete. The behaviour of SCC subjected to high temperature has in particular to be evaluated. The materials tested are 3 concretes which 2 SCC and a TC (Traditional concrete). The characteristic of SCC is the important volume. Mechanical tests (Compressive strength, flexural strength and modulus of elasticity) were realized. Alongside that, the water porosity, apparent density, loss of mass as well as gas permeability allowed having additional parameters to characterize the behaviour. But, microscopic observations coupled with images analyses and thermal analyses help to have a vision more physical and chemical of the behaviour. The experimental results show significant behaviours between the SCC and TC. The compressive strength allowed distinguishing an increase in compressive strength between 150 and 300C. This increase is explained by a rehydration of the cement paste due to water migration through the pores for the SCC, and also by the creation of stronger hydrates. The rehydration concerned the anhydrous elements of the cement paste. Alongside this study, a work in collaboration with the University of Alabama concerning the behaviour at high temperature of lightweight self-compacting concrete (LW-SCC). This study allowed characterizing the mechanical properties and the physico-chemical properties of lightweight self-compacting concrete (made in University of Alabama (USA). For that, prismatic and cylindrical specimens underwent two different thermal treatments : a fire ISO-834 and a slow heating to 1C/min. Through this study, the LW-SCC presented a better thermal stability to a fire ISO-834. About physico-chemical properties, we noted a behaviour similarity between LW-SCC and SCC in water porosity, density, thermal analyses. Nevertheless, a decrease in porosity is observed at 400C. It can be attributed to a shrinkage due to a decrease in volume. About mechanical properties, LW-SCC present a better residual compressive and residual flexural strength than SCC. Therefore, lightweight aggregates improves the residual mechanical behaviour.CERGY PONTOISE-BU Neuville (951272102) / SudocSudocFranceF

Influence de la nature minéralogique des granulats sur leur comportement et celui du béton à haute température

Ce travail de recherche analyse l'influence de différentes natures de granulats sur le comportement thermo-hydro-mécanique du béton soumis à une température élevée. Dans la première partie, trois granulats (calcaire, silico-calcaire et siliceux) subissent des cycles de chauffage/refroidissement à 150C, 300C, 450C, 600C et 750C. Les évolutions physico-chimiques, minéralogiques et microstructurales de ces granulats soumis à une température élevée sont analysées pour comprendre le processus d'instabilité. La deuxième partie est consacrée aux bétons réalisés avec les trois granulats analysés précédemment soumis à une température élevée. Nous déterminons l'évolution de la fissuration, des propriétés thermiques, physiques et mécaniques du béton en fonction des températures subies. Le comportement mécanique résiduel du béton varie selon la nature des granulats et l'influence de granulat dépend aussi de la compacité de la pâte cimentaire. La partie relative à la simulation d'un incendie dans un tunnel avec un bicouche roche/béton fabriqué au laboratoire permet d'analyser le comportement du béton et de la roche en s'intéressant aux transferts de chaleur dans les 2 matériaux au cours de l'exposition à une température élevée.This research analyses the influence of different types of aggregates on the thermo-hydro-mechanical behavior of concrete subjected to high temperature. In the first part, three aggregates (calcareous, silico-calcareous and siliceous) undergo the heating/cooling cycles at a rate of 1C/min to 150C, 300C, 450C, 600C and 750C. The physico-chemical, mineralogical and microstructural evolutions of these aggregates subjected to high temperature are analysed to understand the instability's process. The second part of the experimental study is devoted to concrete made with three aggregates discussed above. We determine the evolution of the cracking, the thermal properties, the physical and mechanical properties of the concrete with the temperatures experienced. The residual mechanical behavior of concrete varies with the nature of aggregates and the influence of aggregate depends also on the compactness of the cement paste. The part relating to a simulation of a tunnel fire with a rock/concrete bilayer manufactured in the laboratory permits to analyse the behavior of concrete and rock by focusing on the heat transfer in the two materials during the exposure to high temperature.CERGY PONTOISE-Bib. electronique (951279901) / SudocSudocFranceF

Contribution des fibres de polypropylène et métalliques à l'amélioration du comportement du béton soumis à une température élevée

Le but de ce travail de recherche est d'étudier l'effet de fibres de polypropylène et de fibres métalliques sur le comportement du béton soumis à une température élevée. D'une part, les fibres de polypropylène ont été ajoutées au béton pour améliorer sa stabilité thermique, et d'autre part les fibres métalliques ont été ajoutées au béton pour améliorer ses propriétés mécaniques résiduelles. De nouvelles formulations de béton ont ensuite été définies, en utilisant un cocktail de fibres de polypropylène et métalliques, afin d'améliorer à la fois la stabilité thermique et les propriétés mécaniques résiduelles du béton. Quatre familles de bétons ont été étudiées : - bétons témoins sans fibres, - bétons contenant des fibres de polypropylène, - bétons contenant des fibres métalliques, et bétons contenant un cocktail de fibres de polypropylène et métalliques. Trois rapports eau/ciment sont utilisés : 0.30, 0.45 et 0.61. Les éprouvettes de béton, issues de ces compositions, ont été soumises à des cycles de chauffage refroidissement de la température ambiante à une température de consigne de 150C, 300C, 450C et 600 C. La vitesse de chauffage a été fixée à 1 C.min-1. Les teneurs en fibres étaient de 0.11, 0.17 ou 0.22 % en proportion volumique pour les fibres de polypropylène et de 0.25, 0.38 ou 0.51 % pour les fibres métalliques. Les proportions volumiques de cocktail de fibres étaient de 0.49, 0.60, 0.62 et 0.73%. La stabilité thermique, les propriétés mécaniques (résistance en compression, résistance en traction, module d'élasticité), la porosité initiale et résiduelle des bétons formulés ont été analysées. La perte de masse des éprouvettes lors des différents chauffages a été aussi mesurée.Cette étude expérimentale aboutit à la formulation de bétons dont à la fois la stabilité à haute température et le comportement mécanique après refroidissement sont améliorés.The aim of this study was to investigate the effect of polypropylene and steel fibres on the behaviour of concrete subjected to high temperature. Polypropylene fibres were added to the studied concrete mixes in order to improve the concrete thermal stability. Steel fibres were added to the studied concrete mixes in order to improve the concrete residual mechanical properties. News concretes mixes were then designed by adding a cocktail of polypropylene fibres and steel fibres in order to improve both the thermal stability and the residual mechanical properties of the studied concrete. Four groups of concrete mixes were studied: - concretes without fibres, - concretes with polypropylene fibres, - concretes with steel fibres, and - concretes with a cocktail of polypropylene and steel fibres. Three water/cement ratios were used: 0.30, 0.45 and 0.61. The concrete specimens were subjected to various heating cooling cycles from the room temperature to 150C, 300C, 450C and 600 C. The heating rate was fixed at 1 C.min-1. The amounts of fibres in the concrete were 0.11%, 0.17% or 0.22% in volume for polypropylene fibres and 0.25%, 0.38% or 0.51% in volume for steel fibres. The amounts of fibres in concrete with a cocktail of polypropylene and steel fibres were 0.49, 0.60, 0.62 and 0.73%, in volume. The thermal stability, the initial and residual mechanical properties (compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity), the porosity and the mass loss of the studied concrete mixes were investigated.This experimental study shows a way to design a concrete mix in order to improve both the thermal stability and the residual mechanical properties.CERGY PONTOISE-Bib. electronique (951279901) / SudocSudocFranceF

Aggregate’s influence on thermophysical concrete properties at elevated temperature

International audienc

Étude parametrique de matériaux modèles : aide au dimensionnement des ouvrages souterrains issus de mélanges sol-ciment

Le Deep Soil Mixing est une technique d’amélioration de sols dont la part de marché devient non négligeable. Les progrès technologiques dans le domaine permettent aujourd’hui d’envisager la réalisation d’ouvrages permanents. L’utilisation structurelle du matériau sol-ciment n’est cependant pas encore réglementée comme le béton avec l’Eurocode 2, ni validée par un nombre suffisant d’études de durabilité. Ces problématiques ont donc fait l’objet d’un travail de recherche au sein du laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (L2MGC) avec le soutien de la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) et de l’entreprise « Spie Fondations ». Cet article présente de manière synthétique le résultat des travaux expérimentaux qui ont été conduits afin de mieux comprendre l’influence des paramètres de formulation et des conditions d’exposition sur le comportement du matériau. L’étude met tout d’abord en évidence le lien entre la conductivité hydraulique du matériau et le diamètre caractéristique des pores. Des relations mathématiques sont ensuite proposées afin d’estimer les propriétés mécaniques du matériau. Puis, les propriétés résiduelles du matériau sont analysées en situation de vieillissement accéléré et à haute température

High-temperature behavior of heavy-weight concretes

Heavy-weight concretes may be efficiently used to design shields for radioprotection in strategic structures, such as reactor vessels, nuclear research facilities, hospitals, etc. However, for many applications, they can undergo high-temperature exposition, or even accidental fire. In this work, the behavior of three types of concrete are analyzed, when exposed to increasing temperatures at two heating rates. The heavy-weight mixes are realized with barite (BAR) and Electric Arc Furnace (EAF) slag; additionally, a normal-weight concrete is tested too, made with natural aggregates (REF). Concretes were exposed at 150 \u2013 300 \u2013 450\ub0C at low rate of heating (1\ub0C/minute), to study their behavior under high temperature; then, they were subject to 600\ub0C with high rate of heating (10\ub0C/minute), to assess potential spalling occurrence. After such exposition, specimens were analyzed in terms of mass loss, density, residual compressive strength and dynamic modulus of elasticity. Results demonstrate that it is possible to design heavy-weight concrete shields with similar (or even better) performances at high temperature than normal concrete. Particularly, EAF concrete displayed less strength reduction at increasing temperatures, and at the same time, it is characterized by high gamma-ray attenuation coefficient