Séchage des bétons réfractaires : expérimentation, modélisation et influence d'un ajout de fibres polymère, Drying refractory concrete : experiments, modeling and influence of fiber addition polymer

Brice Collignon

Description

Sous la direction de Christian Moyne
Thèse soutenue le 01 octobre 2009: INPL
Les matériaux réfractaires non façonnés dense (MRNF) prennent une part de plus en plus importante aussi bien en cimenterie, fonderie, sidérurgie, ... Principalement constitués d’agrégats à base d’alumine, de magnésie, de spinelle, … ils constituent des matériaux de faible perméabilité contenant une teneur résiduelle en eau de 4 à 6 %. Leur séchage avant leur première utilisation est une opération critique qui conditionne leur durée de vie. D’une part, mal conduit, il peut du fait des endommagements occasionnés, réduire considérablement la durée de vie des installations. D’autre part, certaines conditions de séchage conduisent à une véritable destruction de nature explosive du matériau correspondant à une élévation brutale de la pression interne (accompagnant l’élévation de la pression de vapeur saturante de l’eau avec la température). Le travail a permis de se familiariser avec les matériaux réfractaires non-façonnés à l’aide d’une caractérisation thermomécanique complète menée entre la température ambiante et 500 °C, de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de leur séchage, d’une part, par une expérimentation et, d’autre part, en les reproduisant en s’appuyant sur un transfert simultané de chaleur et de masse en milieu poreux. Et enfin, il a permis d’étudier l’impact d’un ajout de fibres polymère sur une caractéristique qui gère l’évacuation de l’eau, la perméabilité, et plus généralement sur le séchage
-Modélisation
-Perméabilité
-Fibres polymère
-Matériaux réfractaires non-façonnés
-Milieux poreux
-Séchage
Castable refractories take a more and more important place in various industries: cement factory, casting, iron and steel making. They consist mainly of aggregates of high-alumina and ultra-low cement. Their permeability is very low and they contain before the first heat-up a residual water content of 4 to 6 % (dry basis). Drying during the first heat-up is a crucial step which sharply influence the refractory in-service performances. On one hand, damaging can occur, and as a consequence will reduce drastically the life time of the plants. On the other hand, particular drying conditions can lead to an explosive spalling of the refractory corresponding to an internal gas pressure steep raise linked to the water saturated vapour pressure raise with temperature. First, a complete thermomechanical characterization between ambient temperature and 500 °C of the unshaped refractory materials has been conducted. Then the mechanisms involved during their drying, on one hand, by an experiment and, on the other hand, by using a simultaneous heat and mass transfer model in porous media have been studied. And last, the impact of adding polymer fibers has been analysed both on the concrete permeability as well as their influence on drying
-Modeling
-Permeability
-Polymeric fibers
-Unshaped Refractory materials
-Porous Media
-Drying
Source: http://www.theses.fr/2009INPL051N/document

Sujets

• Modélisation
• Perméabilité
• Porosité
• Séchage

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 113
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

AVERTISSEMENT



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Institut National Polytechnique de Lorraine
   
Ecole Doctorale E.M.M.A.


THESE
présentée par

Brice COLLIGNON


pour obtenir le grade de


Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : MECANIQUE et ENERGETIQUE







SECHAGE DE BETONS REFRACTAIRES : EXPERIMENTATION, MODELISATION ET
INFLUENCE D’UN AJOUT DE FIBRES POLYMERE







ersoutenue publiquement le 1 octobre 2009 devant le jury


J. Poirier Président du Jury Professeur, CEMHTI, Polytech'Orléans
R. Peczalski Rapporteur Professeur, LAGEP, Université Claude Bernard Lyon I
N. Schmitt Raur Professeur, LMT, Université Paris 12 ENS Cachan
C. Moyne Examinateur Directeur de Recherche, LEMTA, CNRS-Nancy Université
G. Bisson Examinateur Directeur Scientifique et Commercial, ICAR
Y. Jannot Examinateur Ingénieur - Recherche, LEMTA, CNRS-Nancy Université
J.L. Guichard Invité Ingénieur - Recherche Responsable des Etudes, ICAR







Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée – UMR CNRS 7563



REMERCIEMENTS



L’étude présentée dans ce mémoire a été réalisée au Laboratoire d’Energétique et de Mécanique
Théorique et Appliquée (LEMTA) de l’Ecole Nationale Supérieur d’Electricité et de Mécanique de
Nancy et au sein de la société ICAR.


Tout d’abord, je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à monsieur Christian MOYNE, directeur
de recherche au CNRS, pour la confiance qu’il m’a témoignée en me proposant ce travail et en
acceptant de conduire et diriger cette thèse. Au-delà de ses compétences scientifiques largement
reconnues, c’est également son amitié et ses qualités humaines que je tiens à saluer et qui m’ont été
particulièrement précieuses lors des inévitables périodes de doute et de découragement.


Mes remerciements vont également à monsieur POIRIER, professeur au CEMHTI de l’Université
d’Orléans, qui m’a fait l’honneur de présider le jury de thèse.


Que monsieur PECZALSKI, professeur au LAGEP de l’Université Claude Bernard Lyon I, et
monsieur SCHMITT, Maître de Conférences HDR au LMT-ENS Cachan, trouvent ici l’assurance
et l’honneur qu’ils me font en acceptant d’en être les rapporteurs.


Mes remerciements s’adressent également à la société ICAR, représentée par monsieur POULAIN,
pour avoir financé ces travaux de thèse et tout particulièrement à messieurs BISSON et
GUICHARD, respectivement Directeur Scientifique et Commercial et Ingénieur-Recherche à la
direction des études d’ICAR, à qui je tiens à exprimer toute ma sympathie pour leur grande
disponibilité et leurs interventions toujours efficaces et amicales, ainsi que pour leur présence à mon
jury de thèse.


Je ne saurais exprimer toute ma reconnaissance envers monsieur JANNOT, Ingénieur-Recherche au
LEMTA-ENSEM pour la grande disponibilité dont il a fait preuve à mon égard et l’amitié qu’il m’a
témoignée tout au long de ce travail ; qu’il trouve ici ma profonde gratitude pour sa présence à mon
jury de thèse.


Enfin je ne saurais refermer cette page sans avoir une pensée toute particulière pour ma famille qui
tout au long de ce périple m’a toujours supporté, au sens propre comme au sens figuré, ainsi qu’à
mes ami(e)s de ICAR et du LEMTA qui directement ou indirectement ont contribué à la réalisation
de cette thèse.



ii Table des matières
Tables des matières


Chapitre 1 : Les matériaux réfractaires


1 QU’EST CE QU’UN REFRACTAIRE ? 10
1.1 Définition ......................................................................................................................................................... 10
1.2 Composition chimique et macroscopique ........................................................................................................ 11
1.3 Les réfractaires en quelques chiffres ................................................ 12
1.3.1 Classement vis-à-vis de l’industrie céramique en France .............. 14
1.3.2 Production de l’industrie française des réfractaires ...................................................... 15

2 LES DIFFERENTES VARIETES DE MATERIAUX REFRACTAIRES 16
2.1 Classification suivant leur composition ............................................................................................................ 17
2.1.1 Système silice/alumine .................................................................. 17
2.1.2 Les réfractaires basiques (MgO, CaO, SiO , Cr O ) ......................................................................................... 19 2 2 3
2.1.3 Les réfractaires spéciaux 20
2.2 Classification suivant leur mise en forme ......................................... 21
2.2.1 Les matériaux réfractaires façonnés .............. 22
2.2.2 Les matériaux réfractaires non-façonnés ...................................................................... 23
2.2.3 Les matériaux réfractaires fibreux ................. 25



Chapitre 2 : Les matériaux réfractaires non-façonnés étudiés


1 LES BETONS A BASSE TENEUR ET ULTRA-BASSE TENEUR EN CIMENT 30
1.1 Objectifs des bétons à basse et ultra-basse teneur en ciment .......................................................................... 30
1.2 Les particules fines et ultra-fines ...................................................................................................................... 30
1.3 Problèmes rencontrés ...................................................................... 32

2 DESCRIPTION DES MATERIAUX ETUDIES 33
2.1 Les agrégats ..................................................................................... 33
2.2 Le liant hydraulique et les fines ........................................................................................ 34
2.3 Les additifs ....................................................................................... 35
2.4 Les fibres polymère .......................................................................................................... 36
2.5 Transformation du liant hydraulique avec la température ............................................................................... 36
2.5.1 Hydratation .................................................................................................................... 37
2.5.2 Déshydratation .............................................................................. 37
2.5.3 Frittage ........................................................... 38
i Table des matières
2.6 Evolution de leurs caractéristiques en relation avec l’évolution de la microstructure ...................................... 39
2.6.1 Perméabilité ................................................................................................................... 39
2.6.2 Conductivité thermique et chaleur massique ................................................................................................ 41
2.6.3 Module d’élasticité et coefficient de Poisson 42
2.6.4 Dilatation thermique ...... 44

3 MESURE DES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES 45
3.1 Matériel et méthode ........................................................................................................................................ 45
3.1.1 Fabrication des échantillons .......................................................................................................................... 45
3.1.2 Porosimétrie................... 46
3.1.3 Perméabilité aux gaz ...... 47
3.