Stability of concrete of lightweight aggregates subjected to high temperatures

Ce travail de recherche s’intègre dans le cadre de l’amélioration de la stabilité thermique des bétons dans les bâtiments. La détermination des épaisseurs de béton nécessaires ainsi que l’identification des risques d’apparition de fissurations ou d’écaillages en cas d’exposition à une température élevée nécessitent une compréhension du comportement à haute température du béton. A cet égard, ce travail s’intéresse particulièrement au comportement à haute température des bétons de granulats légers. Ces bétons, de performances thermiques élevés, sont de plus en plus utilisés dans les bâtiments puisqu’ils répondent aux enjeux et aux exigences environnementales du 21ème siècle. Il est donc nécessaire de savoir si le comportement à haute température de ces bétons structuraux à propriétés isolantes, s’écarte de celui des bétons de granulats ordinaires afin d’assurer une conception et un dimensionnement plus sûrs pour les personnes et les biens. Deux approches ont été adoptées :L’approche expérimentale consiste a étudié cinq formulations, dont trois bétons de granulats légers, un béton de référence de calcaire noir, et un mortier. Dans un premier temps, une étude de caractérisation des propriétés thermiques, physiques et mécaniques a été menée avec des chauffages lent de 1°C/min couplée avec des observations de la microstructure à différents paliers de température. Cela nous a permis d’identifier l’influence des granulats légers sur le comportement à haute température du béton. Dans un deuxième temps, et afin d’étudier la sensibilité des bétons à l’écaillage, les bétons sont chauffés à 600°C à une vitesse de 10°C/min. Deux types d’éprouvettes ont été utilisées: les éprouvettes cylindriques de 110ϕ220 mm ont été utilisées pour simuler un chauffage multidirectionnel alors que les dallettes de 600x300x120 mm ont été utilisées pour simuler un chauffage unidirectionnel.L’approche numérique consiste à réaliser une série de simulation numérique afin de valider et/ou expliquer certains résultats obtenus dans l’approche expérimentale. Dans un premier temps un travail d’homogénéisation a été effectué qui nous permis d’identifier les propriétés mécaniques des granulats légers. Ensuite, dans un deuxième temps une série de calculs thermo-mécaniques nous a permis de mettre en évidence la différence de comportement entre les granulats légers et les granulats ordinaires et de détecter et de suivre l’évolution les zones endommagées/fissurées d’un béton exposé à haute température.This research work is part of the improvement of the thermal stability of concrete in buildings. The determination of the necessary concrete thicknesses as well as the identification of the risks of cracking or spalling in case of exposure to high temperature requires an understanding of the high temperature behavior of concrete. In this respect, this work is particularly interested in the high-temperature behavior of lightweight aggregate concrete. These concretes, with high thermal performance, are increasingly used in buildings as they meet the environmental challenges and requirements of the 21st century. It is therefore necessary to know if the high temperature behaviour of these structural concretes with insulating properties differs from that of ordinary aggregate concretes in order to ensure safer design and dimensioning for people and property. Two approaches have been adopted:The experimental approach consists of studying five formulations, including three lightweight aggregate concretes, a black limestone reference concrete, and a mortar. First, a characterization study of the thermal, physical and mechanical properties was carried out with slow heating of 1°C/min coupled with observations of the microstructure at different temperature levels. This allowed us to identify the influence of lightweight aggregates on the high temperature behavior of concrete. In a next, and in order to study the sensitivity of concrete to spalling, the concretes were heated to 600°C at a rate of 10°C/min. Two types of specimens were used: cylindrical specimens of 110ϕ220 mm were used to simulate multidirectional heating while slabs of 600x300x120 mm were used to simulate unidirectional heating.The numerical approach consists in carrying out a series of numerical simulations in order to validate and/or explain some of the results obtained in the experimental approach. In a first step, a homogenization work was carried out which allowed us to identify the mechanical properties of lightweight aggregates. Then, in a second step, a series of thermo-mechanical computations allowed us to highlight the difference in behavior between lightweight aggregates and ordinary aggregates and to detect and follow the evolution of damaged/cracked areas of a concrete exposed to high temperature

Stabilité des bétons de granulats légers à haute température : Approches expérimentale et numérique.

This research work is part of the improvement of the thermal stability of concrete in buildings. The determination of the necessary concrete thicknesses as well as the identification of the risks of cracking or spalling in case of exposure to high temperature requires an understanding of the high temperature behavior of concrete. In this respect, this work is particularly interested in the high-temperature behavior of lightweight aggregate concrete. These concretes, with high thermal performance, are increasingly used in buildings as they meet the environmental challenges and requirements of the 21st century. It is therefore necessary to know if the high temperature behaviour of these structural concretes with insulating properties differs from that of ordinary aggregate concretes in order to ensure safer design and dimensioning for people and property. Two approaches have been adopted:The experimental approach consists of studying five formulations, including three lightweight aggregate concretes, a black limestone reference concrete, and a mortar. First, a characterization study of the thermal, physical and mechanical properties was carried out with slow heating of 1°C/min coupled with observations of the microstructure at different temperature levels. This allowed us to identify the influence of lightweight aggregates on the high temperature behavior of concrete. In a next, and in order to study the sensitivity of concrete to spalling, the concretes were heated to 600°C at a rate of 10°C/min. Two types of specimens were used: cylindrical specimens of 110ϕ220 mm were used to simulate multidirectional heating while slabs of 600x300x120 mm were used to simulate unidirectional heating.The numerical approach consists in carrying out a series of numerical simulations in order to validate and/or explain some of the results obtained in the experimental approach. In a first step, a homogenization work was carried out which allowed us to identify the mechanical properties of lightweight aggregates. Then, in a second step, a series of thermo-mechanical computations allowed us to highlight the difference in behavior between lightweight aggregates and ordinary aggregates and to detect and follow the evolution of damaged/cracked areas of a concrete exposed to high temperature.Ce travail de recherche s’intègre dans le cadre de l’amélioration de la stabilité thermique des bétons dans les bâtiments. La détermination des épaisseurs de béton nécessaires ainsi que l’identification des risques d’apparition de fissurations ou d’écaillages en cas d’exposition à une température élevée nécessitent une compréhension du comportement à haute température du béton. A cet égard, ce travail s’intéresse particulièrement au comportement à haute température des bétons de granulats légers. Ces bétons, de performances thermiques élevés, sont de plus en plus utilisés dans les bâtiments puisqu’ils répondent aux enjeux et aux exigences environnementales du 21ème siècle. Il est donc nécessaire de savoir si le comportement à haute température de ces bétons structuraux à propriétés isolantes, s’écarte de celui des bétons de granulats ordinaires afin d’assurer une conception et un dimensionnement plus sûrs pour les personnes et les biens. Deux approches ont été adoptées :L’approche expérimentale consiste a étudié cinq formulations, dont trois bétons de granulats légers, un béton de référence de calcaire noir, et un mortier. Dans un premier temps, une étude de caractérisation des propriétés thermiques, physiques et mécaniques a été menée avec des chauffages lent de 1°C/min couplée avec des observations de la microstructure à différents paliers de température. Cela nous a permis d’identifier l’influence des granulats légers sur le comportement à haute température du béton. Dans un deuxième temps, et afin d’étudier la sensibilité des bétons à l’écaillage, les bétons sont chauffés à 600°C à une vitesse de 10°C/min. Deux types d’éprouvettes ont été utilisées: les éprouvettes cylindriques de 110ϕ220 mm ont été utilisées pour simuler un chauffage multidirectionnel alors que les dallettes de 600x300x120 mm ont été utilisées pour simuler un chauffage unidirectionnel.L’approche numérique consiste à réaliser une série de simulation numérique afin de valider et/ou expliquer certains résultats obtenus dans l’approche expérimentale. Dans un premier temps un travail d’homogénéisation a été effectué qui nous permis d’identifier les propriétés mécaniques des granulats légers. Ensuite, dans un deuxième temps une série de calculs thermo-mécaniques nous a permis de mettre en évidence la différence de comportement entre les granulats légers et les granulats ordinaires et de détecter et de suivre l’évolution les zones endommagées/fissurées d’un béton exposé à haute température

Influence of lightweight aggregates on the physical and mechanical residual properties of concrete subjected to high temperatures

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