L'étude du comportement des bétons à hautes températures est d'une grande importance pour déterminer la stabilité et la résistance des structures en béton en situation d'incendie. Des incendies spectaculaires, ces dernières années, ont montré que le béton pouvait être très fortement sollicité. Ainsi il apparaît qu'assurer un très bon comportement du béton en température permet de sauver des vies et de diminuer les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées. Le travail présenté vise, par une étude expérimentale, à apporter une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l'exposition aux hautes températures des bétons à hautes performances (BHP). Il s'intéresse, plus particulièrement, aux transferts des fluides dans les bétons (perméabilité) et à l'étude de l'instabilité thermique (phénomène d'éclatement) des bétons à hautes performances. Le travail de thèse a été mené sur des bétons à hautes performances (80 MPa) avec 5% de fumée de silice (matériau à faible perméabilité pour améliorer la durabilité), et différents pourcentages de fibres de polypropylène. L'utilisation des fibres de polypropylène (PP) est considérée comme une solution technique efficace pour améliorer la tenue au feu des bétons à hautes performances, notamment grâce aux phénomènes physiques apparaissant aux températures inférieures à 200°C. Notre travail concerne, dans un premier temps, la caractérisation de l'évolution des propriétés physiques (porosité, perte de masse), thermiques (conductivité et diffusivité) et mécaniques (résistance à la compression et en traction) ainsi que les isothermes de sorption. La deuxième partie de ce travail concerne l'étude de l'évolution de la perméabilité en fonction de la température (jusqu'à 200°C), principale propriété caractérisant les transferts hydriques au sein des bétons. Les paramètres étudiés sont : le type de béton (avec ou sans fibres de PP), deux types de fibre de géométries différentes, la nature du fluide (air ou vapeur d'eau) et la méthode de mesure (en résiduel et à chaud). Les résultats expérimentaux montrent que les fibres génèrent une perméabilité plus importante au-delà de 150°C et que les valeurs obtenues en résiduel ou à chaud peuvent être liés aux modes opératoires. Enfin, dans la dernière partie une investigation sur le phénomène d'éclatement explosif en lien avec la composition du matériau est menée. Une nouvelle méthode d'investigation expérimentale de la sensibilité des formulations à l'instabilité thermique est proposée avec une étude sur des sphères portées en température. Cette méthode devra être comparée aux méthodes traditionnelles d'investigation. L'analyse des résultats des essais permet de discuter sur les causes de l'instabilité thermique et de caractériser les propriétés du béton en température, données indispensables à la modélisation.

Les enceintes de confinement des centrales nucléaires françaises sont réalisées en béton précontraint de 1,2 m d'épaisseur. L'étanchéité de la structure dépend principalement de la précontrainte résiduelle du béton. Or les dispositifs de surveillance des déformations différées font apparaître des différences sensibles, suivant les sites, que les modèles de calcul réglementaires ne prennent pas en compte d'une façon satisfaisante. Pour améliorer la gestion du parc de centrales, au sens durée de vie, EDF a lancé en 1991 un vaste programme d'étude centré sur le matériau béton, et visant à prévoir le comportement réel en fluage des enceintes déjà construites. Ici, nous analysons une par une les différentes déformations différées du béton. Une analyse fine des phénomènes physico chimiques qui en sont à l'origine, nous conduit à proposer une modélisation d'ingénieur, sur la base d'un modèle du type milieu continu équivalent. Enfin, nous présentons les résultats de nos simulations et nous concluons en donnant les enseignements théoriques et pratiques de cette étude ainsi que quelques propositions réglementaires.

On présente ici deux types de modélisations, ainsi que de nombreuses données expérimentales, portant sur les déformations des bétons et en particulier celles des bétons à hautes performances. La première a pour but de prévoir les amplitudes des déformations instantanées, de retrait endogène et de fluage propre, en fonction de la formulation. On utilise pour cela une approche par homogénéisation, en adaptant le modèle bisphère de Hashin au calcul du module du béton. La démarche de modélisation, fondée sur la prise en compte de la compacité réelle du squelette granulaire, aboutit à une géométrie trisphère. On fait le choix, après l'avoir justifié, de fixer les coefficients de Poisson à un cinquième. Puis, on applique le modèle trisphère au calcul des amplitudes de fluage propre et de retrait endogène. Les paramètres principaux de formulation (rapports eau sur ciment, fumée de silice sur ciment, proportion granulaire, classe du ciment) sont pris en compte. L'approche appliquée au fluage est confortée par un calcul viscoélastique linéaire. Dans la deuxième approche, on propose un modèle simplifié, de type réglementaire, pour le calcul des déformations des bétons à hautes performances en fonction du temps, et d'un nombre Limité de paramètres. Les apports principaux de la modélisation concernent la prise en compte de l'autodessiccation, de la maturité et de la résistance du matériau au moment du chargement. Le modèle a été validé d'après de nombreuses données, et pour des bétons de maturités très variables au chargement, variant de seize heures à plus de deux ans. Elaboré dans le cadre de l'Association Française pour le Recherche et l'Etude des Matériaux et des Structures (AFREM), le modèle est proposé comme annexe au règlement français de béton précontraint (BPEL), pour les bétons couvrant la gamme B40-B80.

Ce document présente les résultats obtenus pour différents bétons et pâtes de ciment, en ce qui concerne la microstructure, les propriétés hydriques et les déformations de retrait. En particulier, des matériaux à très hautes performances ont été étudiés (formulations avec un faible rapport eau sur ciment, contenant fumée de silice et fluidifiant). De nombreuses techniques expérimentales ont été utilisées à cet effet. Ainsi, les paramètres texturaux ont été déterminés par des méthodes classiques d'investigation de la structure poreuse (intrusion de mercure, adsorption d'azote, ...). Cependant, ces méthodes sont apparues suivant les cas incomplètes ou inadéquates pour fournir les caractéristiques exactes du réseau poreux des pâtes de ciment ou des bétons durcis, notamment dans le cas des matériaux à très hautes performances. La difficulté d'accès à la porosité fine des hydrates (gel C-S-H) est essentiellement responsable des insuffisances de ces méthodes. De plus, le séchage et le dégazage nécessaires, préalablement à la mesure, rendent l'interprétation des résultats délicate. Aussi, un autre type d'expérimentations plus pertinent a été mis en oeuvre : les expériences de désorption et d'adsorption de vapeur d'eau, à partir desquelles ont été obtenues les isothermes, c'est à dire les courbes "Teneur en Eau en fonction de l'Humidité Relative", à 'équilibre, à température constante (T = 23 °C) et pour chaque chemin de désorption/adsorption. L'analyse de ces courbes n'a pas seulement fourni les paramètres de texture (porosité, surface spécifique B.E.T., distribution poreuse,...) dans le domaine des mésopores, non accessible par beaucoup d'autres méthodes, elle a aussi permis l'étude des interactions eau/solide (épaisseur du film liquide adsorbé sur la surface solide, état d'énergie de l'eau des pores, hystérésis, ...). Les cinétiques de transfert d'humidité sont très lentes dans un tel milieu microporeux et elles sont fonction de l'épaisseur de l'échantillon testé ; l'équilibre hydrique a été établi après plusieurs mois avec nos échantillons de quelques millimètres d'épaisseur. La diffusivité a été calculée à partir des courbes de perte (ou gain) de masse en fonction du temps, pour chaque palier d'humidité relative. Au cours de ces expériences, les déformations hygrométriques ont aussi été mesurées, afin d'évaluer le retrait de dessiccation en fonction de l'humidité relative, et de le comparer au retrait endogène. La caractérisation hydrique a été complétée par la détermination de la répartition de la teneur en eau dans des éprouvettes en cours de séchage. A partir d'une large panoplie expérimentale, nous avons obtenu une description complète de la structure poreuse, depuis les pores relatifs au gel C-S-H, jusqu'à l'échelle des macropores. Nous avons mis en évidence les similarités et les différences, du point de vue microstructural et hydrique, entre les différents matériaux. Nous avons ainsi quantifié l'influence des paramètres de formulation tels que, par exemple, le rapport eau sur ciment ou la présence de fumée de silice.

L’étude du comportement des bétons à hautes températures est d’une grande importance pour déterminer la stabilité et la résistance des structures en béton en situation d’incendie. Des incendies spectaculaires, ces dernières années, ont montré que le béton pouvait être très fortement sollicité. Ainsi il apparaît qu’assurer un très bon comportement du béton en température permet de sauver des vies et de diminuer les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées. Le travail présenté vise, par une étude expérimentale, à apporter une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l’exposition aux hautes températures des bétons à hautes performances (BHP). Il s’intéresse, plus particulièrement, aux transferts des fluides dans les bétons (perméabilité) et à l’étude de l’instabilité thermique (phénomène d’éclatement) des bétons à hautes performances. Le travail de thèse a été mené sur des bétons à hautes performances (80 MPa) avec 5% de fumée de silice (matériau à faible perméabilité pour améliorer la durabilité), et différents pourcentages de fibres de polypropylène. L’utilisation des fibres de polypropylène (PP) est considérée comme une solution technique efficace pour améliorer la tenue au feu des bétons à hautes performances, notamment grâce aux phénomènes physiques apparaissant aux températures inférieures à 200°C. Notre travail concerne, dans un premier temps, la caractérisation de l’évolution des propriétés physiques (porosité, perte de masse), thermiques (conductivité et diffusivité) et mécaniques (résistance à la compression et en traction) ainsi que les isothermes de sorption. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude de l’évolution de la perméabilité en fonction de la température (jusqu’à 200°C), principale propriété caractérisant les transferts hydriques au sein des bétons. Les paramètres étudiés sont : le type de béton (avec ou sans fibres de PP), deux types de fibre de géométries différentes, la nature du fluide (air ou vapeur d’eau) et la méthode de mesure (en résiduel et à chaud). Les résultats expérimentaux montrent que les fibres génèrent une perméabilité plus importante au-delà de 150°C et que les valeurs obtenues en résiduel ou à chaud peuvent être liés aux modes opératoires. Enfin, dans la dernière partie une investigation sur le phénomène d’éclatement explosif en lien avec la composition du matériau est menée. Une nouvelle méthode d’investigation expérimentale de la sensibilité des formulations à l’instabilité thermique est proposée avec une étude sur des sphères portées en température. Cette méthode devra être comparée aux méthodes traditionnelles d’investigation. L’analyse des résultats des essais permet de discuter sur les causes de l’instabilité thermique et de caractériser les propriétés du béton en température, données indispensables à la modélisation. / The study of the behaviour of concrete at high temperatures is of great importance to determine the stability and strength of concrete structures in fire conditions. Spectacular fires, these last years, showed that the concrete could be very strongly solicited. Thus it appears that to ensure a very good behaviour of the concrete at temperature it is saved people and reduced the expenses of immobilisation and repair of the damaged structures. The aims of the present work, by the experimental study, are to provide a better comprehension of the involved phenomena during the exposure to the high temperatures of the high performance concretes (HPC). It focuses, in particular, on the fluids transfers (permeability) and the study of the thermal instability (spalling) of high performance concrete. The thesis work was conducted on high-performance concrete (80 MPa) with 5% silica fume (low permeability material to improve durability), and different amount of polypropylene fibres. The use of polypropylene fibres (PP) is regarded as an effective technical solution to improve the behaviour of the HPC at fire conditions, in particular thanks to the physical phenomena appearing at the temperatures lower than 200°C. Our work is concerned, initially, on the characterization of the evolution of physical properties (porosity, mass loss), thermal properties (conductivity and diffusivity) and mechanical properties (compressive strength and tensile) and the sorption isotherms. The second part concerns the study of the evolution of the permeability, as a main property characterising the hydrous transfers inside the concrete exposed to temperature. An experimental study is conducted concerning the evolution of the permeability of concrete as a function of temperature (up to 200 ° C). The studied parameters are: the type of concrete (with and without fibres), two types and geometry of fibres, the nature of the fluid (air and vapour) and the measurement methods (residual and under temperature). The experimental results shows that the existing fibres generate a most important permeability beyond 150°C and that the obtained results, by residual or under temperature measurements, may be related to the operating procedures. Finally, in the last part an investigation on the spalling phenomenon related to the material compositions is conducted. A new experimental method of investigation of the sensitivity of the formulations to thermal instability is proposed: the study of spherical specimens exposed in high temperatures. This method will be compared to the traditional methods of investigation. The analysis of the test results makes to discuss the thermal instability causes and to characterize the concrete properties at high temperatures, important data to modelling.

Les bétons renforcés de fibres métalliques (BFM) connaissent, à ce jour, peu d'applications dans le domaine des éléments de structure. Cet état de fait est, en grande partie, imputable à l'absence de méthodes de calcul, donc à la difficulté d'apprécier l'apport structural de ces matériaux. Le travail présenté ici a pour but de combler cette lacune dans le cas des poutres. Pour répondre au problème posé, l'étude s'appuie sur des essais de structures réalisés pour, d'une part, étudier les mécanismes de rupture et, d'autre part, valider les modèles élaborés. Des essais sont ainsi effectués en flexion simple et à l'effort tranchant. Une méthode performante a été utilisée pour le suivi global de la fissuration : la stéréophotogrammétrie. Elle a clairement montré une localisation précoce de la fissuration et l'apparition d'un mécanisme de rupture par blocs. Ces essais mettent en évidence que la caractéristique fondamentale des BFM est leur comportement postfissuration en traction. Un essai de traction uniaxiale sur éprouvette entaillée est utilisé, et développé, pour mesurer la capacité des fibres à reprendre un effort à travers une fissure. Les éprouvettes sont carottées, dans la direction des contraintes principales de traction, pour tenir compte de l'anisotropie de répartition des fibres induite par la mise en oeuvre. Une modélisation a été développée à partir des mécanismes étudiés et en prenant comme donnée matériau les résultats de l'essai de traction. Une première famille de modèles consiste à postuler un mécanisme de rupture, puis à calculer l'équilibre de la structure, en fonction de l'ouverture de la fissure, à partir de la relation expérimentale obtenue en traction. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus en flexion. En ce qui concerne l'effort tranchant, l'apport des fibres est correctement appréhendé et une relation d'équivalence a été obtenue avec les armatures transversales utilisées habituellement. La prise en compte de l'évolution, avec l'ouverture de fissure, de la contrainte résiduelle postfissuration s'avère indispensable pour retrouver les effets d'échelle observés. L'utilisation d'une méthode en partie empirique pour l'effort tranchant est liée aux limites des modèles simples. Afin de s'affranchir de cette limite et d'étendre la modélisation à des cas complexes, il est apparu nécessaire d'utiliser une modélisation par éléments finis. Un modèle continu (plasticité) et un modèle discret (modèle probabiliste de fissuration) ont été utilisés. En conclusion, il a été mené une étude complète du matériau à la structure. Cette étude, à la fois expérimentale et théorique, a permis de définir des méthodes de calcul qui, couplées à une démarche globale de la composition à la caractérisation, en passant par la fabrication, permettent d'optimiser la conception des éléments de structure en BFM.