Matériaux

Comportement à haute température des bétons mis en œuvre sur le Grand Paris Express
testé par le CSTB

Doté de lignes nouvelles ou prolongées, le métro du Grand Paris Express implique la construction de nombreux tunnels et par-là, la mise en œuvre de bétons qui satisfont aux performances techniques requises (mécanique, résistance au feu, durabilité, etc.). Les industriels et les entrepreneurs qui s’engagent dans ces projets, font face à deux exigences en particulier : présélectionner les formules de bétons les plus adaptées ; évaluer la structure dans des conditions les plus proches possibles des ouvrages réels. Le CSTB met à leur disposition sa connaissance du matériau et du risque d’écaillage lorsqu’une structure béton est soumise au feu, ainsi que sa plateforme d’essais Vulcain. Focus sur ce défi scientifique et technique.

Température de 1 300°C atteinte en quelques minutes

Le phénomène à appréhender en priorité est l’écaillage du béton lorsqu’il est exposé à un feu à développement rapide. C’est particulièrement le cas dans les tunnels où la température augmente très vite et peut, en quelques minutes, atteindre 1 300 °C voire plus. L‘écaillage consiste en une projection de morceaux de bétons, de tailles variables, violemment expulsés de la surface exposée au feu. Il conduit à une diminution de la tenue mécanique de la structure (section réduite, performances mécaniques du béton restant en place diminuées, ou armatures mises à nu).

Essais dédiés au risque d’écaillage du béton

Le CSTB a développé depuis une quinzaine d’années, une expertise dédiée à l’étude de ce phénomène. Il a ainsi mis au point des protocoles d’essais spécifiques, réalisés sur des éprouvettes de béton. Par ailleurs, il dispose de plusieurs fours de grande taille qui permettent d’appliquer des courbes de températures, conventionnellement adaptées pour le cas des incendies dans les bâtiments et les tunnels. Le four modulaire de la plateforme Vulcain permet, dans la phase de présélection des bétons, de tester jusqu’à 10 formules de béton en un seul essai, sur des dalettes de plus de 2m². Des caméras endoscopiques filment les évolutions observées sur l’ensemble des éprouvettes.

Afin de reproduire les situations des ouvrages réels, ces équipements sont complétés par des systèmes de chargement mécanique (vérins, capteurs de force, …) permettant des chargements allant jusqu’à plus de 1 000 tonnes. Formes de l’éprouvette, charges appliquées, formulation du béton, armatures sont les paramètres que les experts font varier pour reproduire au mieux le comportement de la structure en béton évaluée.

Phénomène complexe à paramètres multiples

L’écaillage du béton reste un phénomène complexe dans sa compréhension. Il n’existe pas à ce jour de modèles capables de prédire le phénomène. Seuls les essais permettent d’évaluer le risque d’écaillage. En effet, le béton est tout d’abord un matériau composite fait de ciment, de sable, de granulat, d’additions, d’adjuvants et parfois de fibres. Il est aussi, dans la très grande majorité des cas, utilisé en association avec des armatures d’acier. Enfin, à haute température, des mécanismes complexes sont mis en œuvre : réactions chimiques, retrait de la pâte, fissurations, évaporation de l’eau et diffusion de la vapeur, développement de pressions internes dans les pores…

De nombreux paramètres affectent le risque d’écaillage : composition et compacité du béton, teneur en eau, géométries des éprouvettes, charges mécaniques appliquées, emploi de fibres polypropylènes ou autres… Ce sont tous ces paramètres qui sont pris en compte par les experts du CSTB pour construire programmes et méthodes d’essais adaptés et analyser les résultats. Avec pour objectif final que les bétons, utilisés dans les tunnels du Grand Paris Express notamment, soient les plus sûrs possibles.