Pourquoi une structure en béton a, de nature, une bonne résistance au feu ?

La résistance au feu d’une structure en béton expliquée par ses propriétés physiques

Une structure en béton est, avec la maçonnerie, le seul matériau porteur qui soit en état de résister à un incendie sans nécessiter de protection complémentaire de quelque nature que ce soit, comme un revêtement de plaques résistantes au feu ou une peinture moussante. Les propriétés qui influencent favorablement le comportement au feu ne changent pas avec le temps parce qu’elles sont de nature purement physique. Elles sont permanentes, sans nécessiter de coût supplémentaire pour l’entretien.

Des éléments de structure en béton offrent la résistance au feu exigée de manière économique : il suffit le plus souvent de respecter la couverture de béton sur l’armature et les dimensions minimales reprises dans les tableaux des normes de calcul. L’utilisation de cette méthode simple avec des tableaux permet de ne pas devoir faire appel aux techniques complexes du ‘Fire Safety Engineering’. (Plus d’infos sur le site du CSTC)

Grâce à leur inertie thermique et leur massivité, les éléments peuvent, au contraire des profils en acier, résister très longtemps à des températures élevées avec un minimum de déformation. L’acier d’armature placé à une profondeur de 3,5 cm n’atteint qu’après 2 heures la température critique de 500°C. Un béton avec des granulats légers peut satisfaire à des exigences encore plus élevées et forme ainsi une protection efficace contre l’extension de l’incendie.

L’inertie thermique élevée des parois en béton est également particulièrement intéressante pour retarder l’embrasement généralisé éclair (“Flashover”).

Propriétés physiques du béton liées à la résistance au feu

Le tableau ci-dessus offre une vue d’ensemble des propriétés thermiques de quelques matériaux de construction (Fig. 1). Chaque propriété a son influence dans le comportement au feu de ces éléments et elles sont toutes en faveur du béton.

Température de fusion

On ne s’y arrête pas souvent, mais le béton, ou à tout le moins la pierre de ciment, peut effectivement fondre. La température de fusion est toutefois supérieure à 1.200°C, une température qui est très rarement atteinte dans un incendie. Seul l’acier fait mieux, avec une température de fusion supérieure à 1.500°C, mais son grand inconvénient est qu’il perd toute résistance à des températures beaucoup plus faibles. Le bois ne fond pas, mais commence à brûler à partir de 300°C. Le béton a les meilleurs résultats sur le plan de la stabilité structurelle.

α = coefficient de dilatation thermique

Les coefficients de dilatation thermique du béton et de l’acier sont identiques. Heureusement d’ailleurs, sans quoi il serait impossible de fabriquer du béton armé ou précontraint. Et pourtant, lors d’un incendie, une construction en acier se dilatera plus et plus rapidement que celle en béton. Cela vient de la conductivité thermique très élevée de l’acier. Voir plus loin : conductivité thermique.

p = masse volumique

La masse volumique d’un matériau n’a pas en elle-même d’influence sur la résistance au feu d’un matériau. La masse totale d’une construction joue néanmoins un rôle important. Plus il y a de masse à réchauffer, plus lente sera l’augmentation de température. Cela s’accorde avec l’effusivité et la diffusivité et sera expliqué plus loin avec ces paramètres.

λ = conductivité thermique

Le béton est un conducteur relativement mauvais, ce qui joue doublement en sa faveur.

D’abord et surtout, grâce à cela, le réchauffement de la masse se déroule lentement (propagation transversale), et il faut beaucoup de temps avant que l’acier d’armature n’atteigne sa température critique d’effondrement. Il s’agit d’un paramètre important dans la détermination de la résistance au feu d’un élément de structure en béton.

En deuxième lieu, par sa faible conductivité thermique, la progression de celle-ci dans la structure du béton elle-même (propagation longitudinale) sera également lente. Premièrement, la construction au droit du foyer se réchauffera lentement et deuxièmement cette chaleur est également transmise lentement aux parties à l’extérieur du foyer. Ces parties seront donc moins rapidement soumises à la dilatation thermique, et les propriétés ne seront donc pas réduites sous l’influence de la chaleur. Les effets négatifs de l’incendie sur la capacité portante du béton restent limités à l’emplacement du foyer d’incendie. C’est pour cela qu’une structure en béton ne bougera le plus souvent que lors d’incendies de très longue durée.

A cause du coefficient de conductivité thermique élevé de l’acier, la chaleur de l’incendie se propagera très rapidement dans la construction en acier et aura pour conséquences une dilatation thermique importante de toute la structure et une réduction rapide des propriétés caractéristiques – lire force portante.

c = capacité thermique

La capacité thermique est un paramètre qui détermine la quantité de chaleur qui doit être apportée à 1 kg de matériau pour en augmenter la température de 1°C. Celle-ci est déjà deux fois plus élevée pour le béton que pour l’acier. Si l’on y ajoute que pour une capacité portante identique, la section de béton (et donc la masse) sera beaucoup plus grande que celle de l’acier, il sera clair que le réchauffement en cas d’incendie sera beaucoup plus lent pour une construction en béton. En d’autres termes, le béton a une effusivité et une diffusivité favorables, ce qui donne une bien meilleure résistance au feu à la construction. Ces deux paramètres lient les propriétés qui précèdent.

Eff = effusivité

L’effusivité d’un matériau est la capacité d’échanger de l’énergie thermique avec son environnement :

 Eff = ( λ .p.c)0,5

Des calculs permettent de prouver qu’en appliquant un revêtement sur une paroi en béton et sur une paroi revêtue d’une couche d’isolation de basse densité, la relation entre les temps auxquels l’embrasement généralisé éclair (‘flashover’) se produit est égal à 10, tandis que le rapport de l’effusivité se trouve aux environs de 30.

L’effusivité thermique élevée des parois en béton apparaît particulièrement intéressante, tant pour le confort thermique que pour ralentir le flashover.

a = diffusivité thermique

La diffusivité thermique est une mesure de la vitesse à laquelle la température évolue dans un matériau :

 a = ë / (ñ.c)

La lente diffusivité du béton ralentit significativement la montée en température dans le matériau. Les dommages restent limités à la surface, la dilatation thermique de l’ensemble des éléments de construction reste limitée.

Sous une charge thermique qui se déroule selon la courbe standard ISO, la température dans une dalle de plancher n’est, après 2 heures, que de 350°C à 3,5 cm de profondeur et de 100°C à 8 cm.

L’acier a, par contre une diffusivité thermique 15 fois plus importante que celle du béton, avec comme conséquence un échauffement longitudinal et transversal très rapide.

Changements physico-chimiques du béton dans un incendie

La très forte augmentation de température dans un incendie provoque des modifications physico-chimiques dans le béton, comme la déshydratation par assèchement et la décarbonatation. Ces phénomènes provoquent des rétrécissements et des pertes de résistance et de rigidité.

La déshydratation et la décarbonatation sont des réactions endo­­thermi­­ques. Elles absorbent de l’énergie et ralentissent ainsi le réchauffement de l’élément en béton, ceci venant s’ajouter à tous les paramètres physiques déjà favorables aux éléments en béton préfabriqué.

A partir de la surface réchauffée se forme un front de déshydratation et d’évaporation dans lequel la température reste bloquée autour de 100°C. Ce front se déplace dans la profondeur de béton.

Une partie de l’eau évaporée se déplace vers la zone froide, où elle condensera de nouveau puis s’évaporera. Le reste de l’eau s’évaporera par les pores. (Fig. 2).

Si les pores capillaires sont trop fins par suite de l’augmentation de la pression de vapeur, des tensions de traction peuvent se créer dépassant localement la résistance à la traction du béton. Ce phénomène est d’autant plus important que le niveau d’humidité du béton est plus élevé et le réchauffement plus rapide. Des fragments de béton peuvent être projetés de manière plus ou moins explosive depuis la surface du béton, un phénomène également appelé l’éclatement du béton.

En ce qui concerne le béton, la perte de résistance est surtout provoquée par la formation de fissures internes et par la dégradation et la désintégration de la pâte de ciment durcie. Celle-ci se rétrécit tandis que les granulats se dilatent. En plus des fissures internes, on constate à de très hautes températures la formation de fissures à l’interface entre les granulats et la pâte de ciment. Comme décrit ci-dessus, l’augmentation importante de température est à l’origine de différentes transformations de la pâte de ciment qui provoquent une perte de cohésion (Fig. 3).

Les effets négatifs de la chaleur, comme mentionnés précédemment, n’apparaissent en général que sur la couche externe d’une épaisseur de 3 à 5 cm. Même en état de dégradation, le béton fonctionne toujours comme couche isolante et bouclier de chaleur, la couche extérieure protège le noyau porteur de la section contre le plein effet des températures élevées.

Sous les 100°C, se présente d’abord une légère dilatation de la pâte de ciment tandis que le béton perd son eau libre, qui s’évapore au travers des pores capillaires. Cette exposition à la chaleur est en général inoffensive pour le béton.

Au-delà des 100°C, la pâte de ciment rétrécit visiblement, parce que l’eau libre comme l’eau liée chimiquement s’échappent du béton.

Au-dessus de 300°C le gel de tobermorite (CSH) continue à se décomposer, ce qui oxyde les liaisons présentes contenant du fer (voir tableau 2). La couleur change de gris à rose-rouge. La pâte de ciment se rétracte, tandis que les granulats continuent à se dilater.

A partir de 400°C, l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 (en abrégé CH), également appelé portlandite, commence à se décomposer en chaux (CaO) et en eau (H2O). La vitesse de décomposition est nulle à 400°C, atteint un pic à environ 500°C et revient à 0 à 600°C.

A 575°C les granulats contenant du silicium (sables et agrégats) subissent une modification endothermique de cristallisation de quartz á en quartz â. Celle-ci s’accompagne d’une brusque augmentation de volume d’environ 5,7%. Cette augmentation peut provoquer des dégâts au béton. De tels granulats sont les granulats de rivière, pierres de sable et roches contenant du quartz. Les granulats contenant de la chaux comme la pierre calcaire ou la dolomie sont stables jusqu’à environ 700°C.

Au-delà des 700°C commence la décarbonatation de la pierre calcaire (CaCO3) en oxyde de calcium (CaO) ou ‘chaux vive’ et en dioxyde de carbone (CO2). Cette réaction endothermique ralentit l’augmentation de température du béton et libère une quantité importante de CO2.

Lors du refroidissement, la chaux vive produite par la déshydratation du Ca(OH)2 (au-dessus de 400°C) et la décarbonatation du CaCO3 (au-dessus de 700°C) se lie à l’humidité ambiante pour former du Ca(OH)2. Cette réaction va de pair avec une importante augmentation de volume (44%) qui provoque la désagrégation du béton.

C’est pour cette raison, qu’après un incendie, un béton situé dans des zones exposées à des températures supérieures à 300°C est enlevé et remplacé.

Au-dessus de 1100°C la pâte de ciment durcie commence à fondre (selon sa composition chimique). En général, la pâte de ciment portland commence à fondre aux environs de 1.350°C

Intégrité des structures en béton en cas d’incendie

Ce sont surtout les propriétés physiques du béton qui assurent sa résistance élevée au feu. La combinaison de la faible conductivité thermique, de la masse volumique élevée et de sa haute capacité thermique ont une influence positive sur le comportement au feu des éléments constructifs.

Au-delà de cela, c’est la formation du front de déshydratation et d’évaporation qui ralentit le réchauffement du béton et maintient la température du noyau très longtemps sous les 100°C.

Dans un incendie de longue durée, les effets négatifs ne restent pas limités à l’endroit du foyer. Les éléments abîmés peuvent souvent être réparés mais sont le plus souvent remplacés s’ils ont été soumis à une température supérieure à 300°C.

Grâce aux propriétés physiques du béton, il est facile d’augmenter la résistance au feu des éléments. A une distance axiale plus importante, l’acier d’armature restera plus longtemps sous la température critique et augmentera ainsi la résistance de l’élément.

L’augmentation du volume a un effet double. D’abord et avant tout, grâce à cela, l’élément constructif se réchauffe plus lentement, ce qui permet à l’armature de résister plus longtemps. En même temps, le compartiment dans lequel se trouve le foyer se réchauffe plus lentement, ce qui retarde le moment auquel le ‘flashover’ se produit et réduit la vitesse de propagation de l’incendie.

Si les dimensions des éléments sont limitées, pour quelque raison que ce soit, il existe d’autres méthodes simples pour augmenter la résistance au feu. Nous pensons entre autres à la réduction du degré de charge et à une augmentation du pourcentage d’arma­ture dans le béton. Les experts en incendie de l’industrie du béton sont à la disposition du concepteur pour l’assister dans ce domaine. (JM)

Consultez cet article paru dans la revue BETON de juin 2018 au format.pdf