Le béton et le feu

Comportement du béton soumis au feu

Il existe une variété de béton utilisé pour chaque type de construction et le budget du propriétaire. Ces bétons se différencient au niveau du mélange, du traitement et des performances. Dans tous les cas, le comportement de tous ces bétons vis-à-vis du feu reste positif. En effet, le béton a une capacité de résistance rassurante vis-à-vis du feu.

L’aptitude du béton dans la transmission du flux de chaleur est en moyenne 1,5 W/mK (Watt par mètre Kelvin). Dans sa masse, la température du béton est largement influencée par la durée de l’exposition au feu que de la température. En une heure d’exposition à 1000 °C, la température interne du béton à 1,5 cm de profondeur est de 500 °C. À 3 cm de profondeur, elle est de 350 °C. À 7,5 cm de profondeur, la température est de 100 °C.

Fondamentalement, le béton est connu pour sa très bonne réaction au feu (incombustible, non-inflammable, sans rejet de fumée ni de gaz toxiques) et sa bonne résistance au feu (maintien de la capacité portante sous l’effet du feu) ce qui en fait le matériau d’excellence pour les constructions ignifugées.

Tenue au feu

En cas d’incendie, la température peut atteindre les 1000 °C. Selon l’Eurocode NF EN 1992-1-2, le béton est classé M0, c’est-à-dire incombustible (il peut bruler sans pour autant s’effondrer sur une période suffisante pour permettre l’évacuation des personnes). C’est pour cette propriété que le béton est le matériau utilisé pour les structures porteuses des grands projets.

Réaction du béton face à une température entre 80°C à 300°C

• À 80 °C, l’eau sur les parois du béton commence à s’évaporer.
• De 80 °C à 300 °C, c’est l’eau contenue dans le mélange qui commence à s’échapper du béton. L’ettringite (espèce minérale, composée de sulfate de calcium et d’aluminium hydraté, de formule : Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O) commence alors à perdre les structures H2O (eau) de sa molécule. Sous les 300°C, le risque d’explosion reste très faible.

Le béton face à une température entre 300°C à 600°C

• Dans les environs de 300 °C, une partie des molécules d’eau des silicates de calcium (ou C-S-H hydraté) commencent à s’évaporer. Le silicate de calcium est une molécule obtenue à partir de la réaction entre l’eau et le silicate de ciment (CaSiO₃). On peut déjà observer des micros fissurations et des décohésions pâte granulats qui vont fragiliser la structure bétonnée.
• Entre 450 °C et 500 °C, les molécules de portlandite (hydroxyde de calcium de formule brute Ca(OH)2) commencent à se désintégrer pour laisser échapper les molécules. Le portlandite est obtenu après le durcissement du béton. Le béton perdra donc plus de 60% de sa masse et deviendra de plus en plus fragile.
• À partir de 500 °C, le quartz alpha se transforme en quartz bêta. Le quartz est un composant du granulat. Il est sollicité pour l’esthétique, mais surtout pour sa résistance et sa luminosité grâce à sa structure cristalline. On peut observer donc une fissuration des granulats en silice.

Réaction du béton face à une température de plus de 600°C

• Dès 600 °C, les dernières molécules d’eau s’échappent des silicates de calcium ou C-S-H hydratés.  À ce stade, si l’incendie se déclenche en RDC, c’est le bâtiment qui est en mesure de s’effondrer.
• Dès 700 °C, on remarque une désintégration du carbonate de calcium ou la décarbonatation des carbonates (CaCO3) pour libérer de la chaux. À cette température, les métaux perdent toute leur solidité. Les bétons armés commencent donc à perdre une grande partie de ses capacités.  Si la structure ne s’effondre pas encore dans certains cas, la fumée et déjà très toxique.
• À partir de 1100 °C à 1200 °C, le ciment commence petit à petit à fondre. On remarque aussi des phénomènes de frittage.

Les facteurs influençant la résistance du béton au feu

Sont donc prises en compte dans l’évaluation de la résistance du béton au feu :

• La durée de l’incendie
• La température maximale atteinte
• La composition du béton

L’armature du béton armé

Le béton armé est, certes, l’un des bétons les plus solides, mais il est le moins résistant au feu. En effet, son point faible réside dans son armature. La diffusion thermique du métal est très haute par rapport au béton. Cette diffusion thermique est pourtant très faible pour le bois (0,7 W/mK) en moyenne tandis qu’elle est de 81 pour l’acier. Exposé à une température de 750 °C, le métal perd toute sa résistance alors que le béton a une résistance résiduelle de +/- 35% à cette température. Il faut tout de même préciser que l’épaisseur du béton, la durée d’exposition du béton au feu ainsi que son intensité jouent un grand rôle dans cette équation. Comme mentionné plus haut, à une température de 1000 °C, la température interne du béton à 1,5 cm de profondeur est de 500 °C.

Selon l’Eurocode NF EN 1992-1-2, avec une épaisseur de 12 cm et un enrobage de l’acier de 4 cm, le béton armé peut résister parfaitement à un incendie pendant 2 heures. Une résistance de trois heures jusqu’à six heures est donc possible même avec du béton armé.

Le taux d’humidité du béton

Avec un taux d’humidité de plus de 3 %, une explosion de la structure bétonnée est probable. En effet, plus ce taux d’humidité est élevé, plus les pores capillaires seront fins. Pendant les différents processus de déshydratation du béton précisé ci-dessus, la pression de la vapeur peut causer des efforts de traction dans le béton. Ces efforts de traction vont ainsi conduire à un éclatement explosif de la structure.

Ce taux d’humidité est difficilement maitrisable parce qu’il est influencé par l’environnement de la structure. Il est évident qu’une structure dans un environnement humide représente un taux d’humidité plus élevé qu’une autre dans un environnement très sec. C’est l’avantage des bétons préfabriqués qui présentent un ratio eau-ciment très faible. Des solutions pour remédier à ce taux d’humidité existent déjà et ces solutions résident dans la composition du béton. Un apport de 2 kg/m³ de monofilaments de fibres de polypropylène aux mélanges ZVB et UHSB est à prévoir dans le mélange. Plus le mélange est sec (pourcentage en eau très faible), plus le béton sera résistant. L’explosion de ce type de béton est souvent liée à un refroidissement trop rapide (choc thermique).

La forme et les dimensions de la structure

Pendant un incendie, la forme et les dimensions de la structure influencent très fortement l’action de la température du feu sur le béton. Le fait que ce soit un espace clos favorise l’augmentation de la température. Un sous-sol en feu peut facilement conduire à un effondrement du bâtiment, car la base est fragilisée. C’est pour cette raison que les incendies dans les sous-sols sont les plus dangereux. On peut admettre également que dans ces pièces, qui servent généralement d’espaces de stockages, des éléments combustibles peuvent alimenter la force du feu.

Heureusement, les effondrements dus au feu arrivent très rarement. En particulier en plaçant les raidisseurs à l’horizontale au centre et en y articulant tous les autres éléments (les éléments préfabriqués s’y prêtent parfaitement). De cette façon, la construction ne va pas non plus s’effondrer vers l’extérieur (important pour les pompiers) et l’effondrement brutal de la structure ne se produira pas parce que la déformation de la structure engendrera d’abord des fissures visibles dans les éléments d’assemblage…

La durée de refroidissement

Sans grande surprise, le béton peut céder au feu et peut aussi s’éclater s’il n’a pas assez eu de temps pour se refroidir. En accélérant le refroidissement avec de l’eau, la probabilité d’explosion devient très élevée. La réaction de l’oxyde de calcium (qui résulte de la désintégration du calcaire présent dans le ciment et les granules) avec l’eau de refroidissement va corrompre la résistance du béton. Néanmoins ce type d’explosion est moins destructrice et les dégâts peuvent être facilement repris si on la compare avec une explosion résultant d’un taux d’humidité trop important dans le béton.

Amélioration de la résistance du béton au feu

Une augmentation de l’épaisseur du béton, l’amélioration de sa section et celle de son ferraillage permettent d’améliorer considérablement la résistance du béton au feu et facilitent sa réparation en cas d’incendie. L’utilisation de béton préfabriqué permet aussi d’optimiser cette résistance.

Ainsi, le béton n’exigera pas un entretien spécifique, même des dizaines d’années après la pose.