Influence de la nature minéralogique des granulats sur leur comportement et celui du béton à haute température, Influence of the mineralogical nature of the aggregates on their behavior and that of concrete at high temperature

THESE DE DOCTORAT

Présentée pour l’obtention du grade de

DOCTEUR
DE
L’UNIVERSITE DE CERGY-PONTOISE

Spécialité : Génie Civil

Par

Zhi XING


Sujet de la thèse :

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


Soutenue le 11 Juillet 2011

Devant le jury composé de :

Rapporteur M. Frédéric SKOCZYLAS Professeur à l’Ecole Centrale de Lille
Rapporteur M. Jean-Michel TORRENTI Professeur à l’ENPC, IFSTTAR
Examinateur M. Yann MALECOT Professeur à l’Université Joseph Fourier de Grenoble
Examinateur M. Horacio COLINA Directeur Délégué au Développement Technique, ATILH
Co-encadrant Mme. Anne-Lise BEAUCOUR Maître de conférences à l’Université de Cergy-Pontoise
Co-encadrant M. Ronan HEBERT Maître de conférences à l’Université de Cergy-Pontoise
Co-encadrant Mme. Béatrice LEDESERT Professeur à l’Université de Cergy-Pontoise
Directeur de thèse M. Albert NOUMOWE Professeur à l’Université de Cergy-Pontoise

Laboratoire de Mécanique et Matériaux du Génie Civil - L2MGC - EA 4114
Laboratoire Géosciences et Environnement Cergy – GEC - EA 4506


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

Je tiens tout d'abord à vous remercier chaleureusement les membres du jury,
principalement Monsieur Yann MALECOT qui a accepté d'être le président du jury. Mes
remerciements s'adressent également à Monsieur Frédéric SKOCZYLAS et Monsieur
Jean-Michel TORRENTI qui ont eu la lourde tâche d'effectuer un rapport sur le travail de
ma thèse, à Monsieur Horacio COLINA pour son travail d'examinateur. Je vous exprime
toute ma gratitude.

Je tiens également à remercier Monsieur Albert NOUMOWE, mon directeur de thèse,
pour ses conseils avant et tout au long de mes quatre années de recherche, de son soutien
et de la confiance à mon égard.

Je voudrais également remercier Madame Anne-Lise BEAUCOUR, Madame Béatrice
LEDESERT et Monsieur Ronan HEBERT qui m'ont encadrés dans le travail de ma thèse
pendant ces quatre ans et avec qui ce fut un grand plaisir de pouvoir dialoguer, expliquer,
concevoir de nouvelles approches. Je les remercie beaucoup de leurs patiences et des
soutiens qu'ils m'ont accordés tout au long de ces années de thèse.

Mes remerciements s’adressent à Madame Nancy BRODIE-LINDER, Maître de
Conférences à l’Université de Cergy-Pontoise, avec qui j’ai travaillé sur l’analyse des
granulats par spectroscopie infrarouge et adsorption d’azote.

Je remercie Lilian CRISTOFOL, Assistant Ingénieur au L2MGC, pour les observations
effectuées au MEB, sa disponibilité et ses conseils appréciés.

Je tiens également à remercier Annelise COUSTURE, Ingénieur de Recherche au L2MGC,
pour les mesures des granulats par la diffraction des rayons X.

Mes remerciements s’adressent de même à tous les doctorants, le personnel du Laboratoire
de Mécanique et Matériaux du Génie Civil et du Laboratoire Géosciences et
Environnement Cergy et toute l’équipe des enseignants du département de Génie Civil de
l’Université de Cergy-Pontoise.

Je tiens sincèrement à remercier du fond du cœur mes parents, mes beaux-parents, ma
chère Wei YAN et toutes les personnes qui n’ont cessé de me soutenir et de m’encourager.
Je vous dédie ce mémoire.

Zhi Xing

- 3 - Remerciements



















- 4 - Influence de la nature minéralogique des granulats sur leur comportement et celui du béton à haute température
TABLE DES MATIERES
Table des matières.............................................................................................................................5
Liste des tableaux..............................................................................................................................11
Liste des figures................................................................................................................................13
Liste des notations.............................................................................................................................23
Résumé...............................................................................................................................................25
Abstract..............................................................................................................................................27
Introduction générale.......................................................................................................................29

Chapitre 1 - Etude bibliographique................................................................................................35
Introduction ......................................................................................................................................35
1. Généralités sur la microstructure et les constituants du béton................................................37
1.1. Les granulats..........................................................................................................................37
1.2. Chimie de la pâte de ciment...................................................................................................38
1.2.1. Composition du ciment Portland...............................................................................38
1.2.2. Hydratation du ciment................................................................................................39
1.2.3. Les CSH….................................................................................................................40
1.3. Microstructure de la pâte de ciment.......................................................................................42
1.4. Eau contenue dans la pâte de ciment.....................................................................................43
1.5. La liaison pâte-granulat........................................................................................................45
2. Modifications microstructurales de la matrice cimentaire sous l’effet de la température....47
3. Comportement des granulats sous l’effet de la température....................................................51
3.1. Modifications minéralogiques des principaux minéraux des granulats.................................53
3.2. Perte de masse des différentes roches....................................................................................56
3.3. Dilatation thermique des différentes roches..........................................................................59
3.4. Fissuration thermique.............................................................................................................64
3.5. Evolution du comportement mécanique des roches avec la température..............................67
4. Influence des granulats sur le comportement physique et mécanique du béton sous l’effet de
la température...................................................................................................................................76
- 5 - Table des matières
4.1. Déformation thermique et incompatibilité pâte/granulat.......................................................76
4.2. Evolution des propriétés thermiques du béton en fonction de la température.......................78
4.2.1. Conductivité thermique du béton..............................................................................79
4.2.2. Chaleur spécifique du béton......................................................................................82
4.3. Influence de la nature des granulats sur l’évolution des propriétés physiques du béton
soumis à une température élevée..................................................................................................86
4.3.1. Evolution de la porosité.............................................................................................86
4.3.2. Evolution de la perte de masse...................................................................................88
4.4. Influence de la nature des granulats sur le comportement mécanique du béton soumis à une
température élevée........................................................................................................................90
4.4.1. Evolution de la résistance en compression................................................................91
4.4.2. Evolution d