Pourquoi le béton explose-t-il ?

Même s’il n’est pas inflammable, soumis à de fortes températures, comme lors d’un incendie, le béton peut exploser. Ce phénomène bien connu n’était jusque-là pas vraiment expliqué. Mais Stefano Dal Pont, Matthieu Briffaut et Alessandro Tengattini, chercheurs au Laboratoire Sols Solides Structures Risques (3SR - CNRS / Grenoble INP / Université Grenoble Alpes), en collaboration avec l’Institut Laue-Langevin à Grenoble et l’EMPA en Suisse ont réussi à observer en temps réel, grâce à la tomographie neutronique, ce qui se passe à l’intérieur du béton lorsque la température augmente...

Saint-Gothard, Mont-Blanc, Saint-Bernardino... Les incendies dans les tunnels sont des accidents aux conséquences parfois extrêmement graves, à l’origine de victimes humaines et d’un endommagement important pour la structure. Des températures parfois supérieures à 1000°C peuvent en effet amener le béton aux limites de sa résistance, jusqu’à son explosion.

Afin de mieux comprendre les raisons physiques de ce phénomène, Stefano Dal Pont, Matthieu Briffaut et Alessandro Tengattini ont utilisé la tomographie aux neutrons pour capturer en temps réel des images en trois dimensions de l’intérieur d’un échantillon de béton soumis à fortes températures. Ces investigations n’ont été possibles que grâce à la source de neutrons de l’ Institut Laue-Langevin.

Le béton est un mélange d’agrégats, de sable, de ciment et d’eau, liés physiquement et chimiquement ce qui en fait un matériau très résistant à la compression. Mais lorsque sa température augmente au-delà de 100°C, la pâte cimentaire se déshydrate et l’eau se transforme en vapeur.

Le béton à hautes performances a une porosité très faible et des pores très petits. Ces propriétés ont l’avantage de procurer à ce matériau une résistance élevée et une durabilité exceptionnelle, le rendant pratiquement imperméable aux contaminants externes. Mais cette faible perméabilité a aussi l’inconvénient de piéger la vapeur d’eau et lorsque la température augmente, la pression dans le matériau peut alors devenir très élevée.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pu que supposer que c’était bien cette pression de vapeur d’eau trop forte qui était responsable de l’explosion du béton lors d’un incendie. Dans le cadre de travaux de recherche financés par le Labex TEC21 , pour la première fois, les chercheurs de l’UGA ont pu suivre l’évolution du front de saturation, c’est-à-dire la zone "mouillée", dans un échantillon de béton soumis à de fortes températures, apportant les premières observations expérimentales à l’appui cette explication.

Grâce à la tomographie neutronique, les scientifiques ont obtenu jusqu’à 500 images par minute, ce qui leur a permis de reconstruire un modèle tridimensionnel de leur échantillon de béton. Ils ont ainsi constaté que lorsque la température augmente, l’eau contenue dans le béton hautes performances se déplace vers l’intérieur de l’échantillon, se vaporise mais ne peut s’échapper. La pression de vapeur d’eau qui se développe alors dans les pores très petits de ce type de béton et la contrainte thermique sur le matériau provoquent l’explosion de l’échantillon.

"En pratique, il est difficile de prévoir si une explosion du béton va véritablement se produire lors d’un incendie. De nombreux paramètres peuvent avoir un impact sur ce qui se passe dans le matériau" précise Stefano Dal Pont. "Mais comprendre le phénomène peut nous aider à améliorer ce matériau pour qu’il soit plus résistant à ce type d’accident".

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Analysis of moisture migration in concrete at high temperature through in-situ neutron tomography, Cement and Concrete Research
D. Dauti, A. Tengattini, S.Dal Pont, N. Toropovs, M. Briffaut, B.Weber
vol.111, 41-55, 2018.

Modeling of 3D moisture distribution in heated concrete : from continuum towards mesoscopic approach
D. Dauti, S.Dal Pont, M.Briffaut, B. Weber
Int.J. Heat and Mass Transfer.

Some observations on testing conditions of high-temperature experiments on concrete: an insight from neutron tomography
D. Dauti, A. Tengattini, S.Dal Pont N. Toropovs, M. Briffaut,, B.Weber
Cement and Concrete Research (submitted)