Propriétés mécaniques et durée de vie de bétons réfractaires

Le but de cette étude était, d’une part, de mieux comprendre le comportement mécanique
des réfractaires de centrales LFC (Lit Fluidisé Circulant) et leur endommagement, d’autre
part, de développer des techniques de prédiction de leur endommagement. Ces réfractaires
sont la source de coûts élevés de maintenance et d’arrêts de tranche non programmés. Il faut
donc trouver un critère permettant de déterminer si le réfractaire peut encore servir ou doit
être changé. Le comportement mécanique statique ou en fatigue des bétons réfractaires n’est
pas ou peu connu. De plus les sollicitations sur site sont complexes et ces matériaux
travaillent à 900°C. Nous devions donc, dans un premier temps, déterminer le comportement
de ces bétons réfractaires à froid et à chaud en rapport avec leur endommagement. Et en
déduire un critère, par une technique non destructive du suivi de leur endommagement,
permettant la prédiction de leur durée de vie ou leur potentiel restant..
Nous avons choisi pour cette étude deux bétons réfractaires, l’un est typique des bétons
réfractaires employés dans les centrales à LFC et l’autre a été choisi à partir d’un cahier des
charges avec un fabricant de réfractaires. Nous avons caractérisé ces bétons en flexion 4 pts et
traction à température ambiante et à haute température. La flexion 4 pts présente l'avantage
d'être facile à mettre en œuvre mais le champ de contrainte dans le matériau est difficile à
définir parfaitement au cours de l’essai. L’essai de traction a été développé avec un montage à
cardans pour réduire au maximum les flexions parasites. Nous avons ainsi un essai de traction
pure où le champ de contraintes dans le matériau est parfaitement défini. Les matériaux ont
des microstructures proches mais se sont révélés avoir des propriétés mécaniques différentes,
l’un ayant un comportement plus endommageable. Les deux ont un comportement quasi
fragile à température ambiante et à 900°C. Le comportement à 900°C est celui qui nous
intéresse le plus car c’est à cette température que fonctionnent les matériaux dans la centrale
LFC. La plupart des techniques de caractérisation non destructive ne fonctionnent pas de
façon optimale à ces températures. Cependant, nous avons montré que nous pouvons utiliser
les essais à température ambiante et transposer les résultats à plus haute température. C’est
pourquoi la plupart des essais ont été effectués à température ambiante.
Nous avons utilisé 3 techniques non destructives pour caractériser l’endommagement de
ces bétons: l’émission acoustique, les ultrasons et le scléromètre. Le scléromètre s’est révélé
peu fiable et uniquement destiné à la vérification de l’homogénéité de structures coulées.
Nous avons utilisé un système d’émission acoustique 2 voies permettant une localisation
linéaire des événements. Dans le cas de la traction, la localisation est plus précise du fait du
faible diamètre des éprouvettes. Dans tous les cas la localisation nous a aussi permis d’être
sûrs que l’on analysait des salves provenant du matériau et non du bruit. Nous avons utilisé
les ultrasons en parallèle de l’EA sur certains essais de flexion 4pts, la grosseur des capteurs
ne permettant pas de les utiliser efficacement sur les éprouvettes cylindriques de traction.
Lors des essais de traction monotone, les deux bétons réfractaires présentaient une
déformation à rupture proche et la reproductibilité des contraintes à rupture était très bonne.
Les deux bétons ont toutefois un comportement différent, le béton B étant plus
endommageable. Le béton le plus fragile présente un grand nombre de ruptures
intragranulaires contrairement au deuxième béton (plus endommageable) où les ruptures se
font principalement dans la matrice. L’EA apparaît à la fin de la partie linéaire de la courbe
force/déformation. La localisation des événements acoustiques a montré un bon accord avec
la zone de rupture de l’éprouvette et la localisation des événements dans cette zone s’effectue
un peu avant rupture. Le béton réfractaire le plus émissif est le béton A, présentant des
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