The Effect of Compressive Loading and Cement Type on the Fire Spalling Behaviour of Concrete
Effets du chargement en compression et du type de ciment sur le risque d'écaillage du béton au feu.
Résumé
The research presented in this thesis seeks to examine and understand the mechanism of fire spalling role played by the external compressive loading during heating. Concrete cube (200 x 200 x 200 mm3) and slab (800 x 800 x 100 mm3) specimens made with CEM II and CEM III cements (B40-II and B40-III: fc28days ≈ 40 MPa) were exposed to ISO 834-1 fire curve under different levels of external uniaxial (for cube) and biaxial (for slab) compressive stress. Additionally, the effect of external compressive loading (confining pressure and uniaxial load) on the residual gas permeability of concretes have been investigated. In order to better analyse the experimental results and to provide more insight into the mechanism behind the fire spalling behaviour of concrete, numerical computations were carried out by using the existing thermo-mechanical model implemented in a finite element code CAST3M. The experimental results have clearly shown that the loaded specimens (uniaxial and biaxial) are more prone to spalling than unloaded specimens, with increasing amounts of spalling for higher values of applied compressive stress. Part of the tests, but not all have shown that B40-II (3% of slag) exhibited higher spalling than the B40-III (43% of slag).From this study on two ordinary concretes, it highlights that a certain level of external compressive stress (uniaxial or biaxial) was necessary to induce spalling. A possibility is that the applied compressive stress prevents the creation of cracks naturally due to thermal mismatch between cement paste and aggregates and thermal gradients. For unloaded specimen, the creation of cracks increases the permeability and naturally prevents the pore pressure to exceed a value that favours spalling.During a real fire, concrete structural members are always loaded or restrained. The presence of compressive loading during heating significantly increases the compressive stress (decreases the tensile stress) and the magnitude of pore pressure, which increase the risk of fire spalling. Then, the applied compressive stress is a very important key factor that the fire resistance design of concrete structures should take into account when considering spalling. Hence, it is recommended that the fire spalling test should not be carried out only on unloaded specimens, especially for the ordinary concrete.
La recherche présentée dans cette thèse vise à examiner le mécanisme d’écaillage des bétons exposés au feu et comprendre l’influence du chargement mécanique appliqué en compression durant le chauffage. Des cubes (200 x 200 x 200 mm3) et des dalles (800 x 800 x 100 mm3) de béton fabriqués avec des ciments CEM II et CEM III (B40-II et B40-III: fc28days ≈ 40 MPa) ont été exposés à un feu ISO 834-1 sous différents niveaux de chargement uniaxial (cubes) et biaxial (dalles). En outre, l'effet du chargement mécanique (pression de confinement et charge uniaxiale) sur la perméabilité résiduelle au gaz a été étudié. Afin de mieux analyser les résultats expérimentaux et comprendre les mécanismes à l’origine de l'écaillage, des calculs numériques ont été réalisés en utilisant un modèle thermo-mécanique du code aux éléments finis CAST3M. Les résultats expérimentaux ont clairement montré que les éprouvettes chargées (uniaxial et biaxial) présentent un risque d’écaillage plus important que les éprouvettes non chargées. L’écaillage augmente avec le niveau de contrainte appliquée. Une partie des essais mais pas tous, ont montré que le B40-II (3% de laitier) présente un écaillage plus important que celui du béton B40-III (43% de laitiers).À partir de cette étude sur deux bétons ordinaires, il peut être mis en évidence qu'un certain niveau de contrainte de compression externe (uniaxiale ou biaxiale) est nécessaire pour induire l'écaillage du béton ordinaire. Les pressions des pores se combine avec les contraintes thermiques dûes aux gradients thermiques. Les contraintes de compression appliquées empêchent la création de certaines fissures générées par l'incompatibilité des déformations thermiques de la pâte de ciment et des granulats et des gradients thermiques. Pour l'échantillon non chargé, la création de fissures augmente la perméabilité et empêche naturellement le développement des pressions de pores.Pendant un feu réel, les membres structurels en béton sont toujours chargés ou retenus. La présence d'un chargement compressif pendant le chauffage augmente considérablement le stress de compression (diminue le stress de traction) et la grandeur de la pression des pores, ce qui augmente le risque d'écaillage. Ensuite, le stress compressif appliqué est un facteur clé très important que la conception de la résistance au feu des structures en béton devrait prendre en compte lors de l'écaillage. Par conséquent, il est recommandé que les essais d'écaillage ne soient pas effectués uniquement sur des échantillons non chargés.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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