Développement de nouveaux revêtements à base cimentaire pour la résistance au feu de structures acier

par Qi Yang

Projet de thèse en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Catherine A. Davy et de Gaëlle Fontaine.

Thèses en préparation à l'Ecole centrale de Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord) , en partenariat avec Unité de catalyse et chimie du solide (UCCS) (laboratoire) et de CIMEND (equipe de recherche) depuis le 01-09-2021 .


  • Résumé

    Bien que de nombreuses solutions existent déjà, la protection incendie des ouvrages de Génie Civil fait encore l'objet de recherches en cours [1-2]. En effet, lors d'un incendie, le béton à haute résistance utilisé dans les bâtiments ou les tunnels se dégrade fortement (par éclatement explosif et/ou échauffement des barres d'armature). La structure peut finalement s'effondrer et entraîner d'énormes pertes humaines et économiques, comme lors de l'attentat du 11 septembre contre le World Trade Center, ou dans les incendies du Mont Blanc et du tunnel sous la Manche. De nombreux matériaux de revêtement ont été étudiés, principalement des matériaux intumescents organiques, ou des matériaux à base de ciment. Les revêtements organiques ne durent pas longtemps dans un incendie (généralement limité à 2 heures), et à haute température, ils peuvent même contribuer à des réactions de combustion et générer des gaz toxiques dans des espaces clos (couloirs ou tunnels). Avec une formulation adéquate, les matériaux à base de ciment tels que les géopolymères peuvent résister à des températures élevées [3] et offrir une meilleure protection contre le feu. En attendant, l'économie locale et le développement durable retiennent l'attention en raison du réchauffement climatique et des préoccupations concernant la gestion des déchets et des sous-produits (en particulier dans l'industrie, et dans les secteurs de la rénovation et de la démolition de bâtiments). En Génie Civil, il existe un besoin de proposer de nouvelles filières pour la gestion locale des déchets de démolition, en particulier le verre [4], les briques, ou les sous-produits industriels (tels que les scories ou les cendres volantes), avec une valeur économique ajoutée pour justifier leur voie. hors des sites d'enfouissement. De nouveaux ciments tels que les géopolymères poly-siloxo [5], les géopolymères alumino-silicatés [5-10] ou plus généralement les ciments au laitier activé par les alcalis (AAS) [11] ont la capacité d'incorporer des quantités importantes de déchets [4], et aussi des matières organiques [12]. Dans ce contexte, à notre connaissance, très peu de recherches existent sur l'utilisation des enduits mousses à base de ciment, tels qu'ils peuvent être formulés pour les matériaux en vrac [13]. Les vides présents dans la mousse sont un atout pour diminuer son échauffement, et peuvent être utilement couplés à des additifs intumescents (l'intumescence signifie la formation d'un matériau protecteur expansé). L'originalité de ce projet de recherche est de proposer de concevoir et de développer un revêtement mousse ciment innovant pour la protection incendie du béton Portland et de l'acier (qui sont les deux principaux matériaux de structure en Génie Civil), avec en plus l'incorporation de déchets industriels ou sous-produits.

  • Titre traduit

    Development of Novel Cement-Based Coatings for the Fire Resistance of Structural Concrete and Steel


  • Résumé

    Although many solutions already exist, fire protection of Civil Engineering structures is still a subject of ongoing research [1-2]. Indeed, under a fire, high strength concrete used in buildings or tunnels degrades significantly (by explosive spalling and/or overheating of the reinforcement steel bars). The structure may finally collapse and involve huge human and economical loss, as in the 9/11 World Trade Centre attack, or in the Mont Blanc and Channel tunnel fires. A number of coating materials has been studied, mainly organic intumescent materials, or cement-based materials. Organic coatings do not last over a long time in a fire (usually limited to 2 hours), and at high temperature, they may even contribute to combustion reactions and generate toxic gases in enclosed areas (corridors or tunnels). With an adequate formulation, cement-based materials such as geopolymers may resist high temperatures [3] and provide improved fire protection. In the meantime, local economy and sustainable development are gaining attention due to global warming, and to concerns about waste and by-product management (particularly in the industry, and in the building renovation and demolition sectors). In Civil Engineering, there is a need to propose novel routes for local demolition waste management, in particular glass [4], bricks, or industrial by-products (such as slag or fly ash), with an added economical value to justify their way out of landfill sites. Novel cements such as poly-siloxo geopolymers [5], alumino-silicate geopolymers [5-10] or more generally alkali-activated slag (AAS) cements [11] have the ability to incorporate significant amounts of wastes [4], and also of organics [12]. In this context, to our knowledge, very few research exists on the use of cement-based foamed coatings, as may be formulated for bulk materials [13]. Voids present in the foam are an asset to decrease its temperature rise, and may be usefully coupled to intumescent additives (intumescence means the formation of an expanded protective material). The originality of this research project is to propose to design and develop an innovative cement-based foam coating for the fire protection of Portland concrete and steel (which are the two main structural materials in Civil Engineering), with the added incorporation of industrial waste or by-products.