Les bétons réfractaires

Bruno Caillard

Les ouvrages destinés à subir les actions abondantes du feu peuvent être réalisés avec des briques ou avec de gros morceaux de béton. Dans un cas comme dans l’autre, ce n’est pas n’importe quel béton qui est utilisé. Néanmoins, le béton ne pourra pas résister aux températures très élevées, d’où le besoin de recourir à des matériaux spécialement conçus pour les hautes températures, à savoir un matériau réfractaire qui résiste à la chaleur et ne fond qu’à des températures très élevées.

Les bétons réfractaires sont des bétons pouvant résister à des températures très élevées (allant jusqu’à 1 800 °C). Les bétons réfractaires peuvent généralement être utilisés dans le milieu industriel pour créer des revêtements homogènes pour tous les types de fours ou de cheminées.

Composition des bétons réfractaires

Les bétons réfractaires, comme les bétons ordinaires, se composent de granulats et de liants. La différence entre ces deux types de bétons est la nature des granulats et des liants et la façon dont ils agissent.
La nature des liants destinés aux hautes températures est très diverse. La plus grande part des liants n’interviendront pas à température ambiante mais seulement lorsque la chaleur sera intense. Cela explique aussi l’importance de la cuisson des blocs qui sert à en extraire l’humidité pour leur donner toute leur force.
Quant aux granulats réfractaires, ils proviennent des roches réfractaires. Ce sont des sous-produits industriels obtenus à partir de la cuisson à 1300 °C d’une argile riche en alumine.
Le dosage doit être de 400 kg/m3 de ciment et le rapport eau/ciment de 0,40 au maximum.
Mis à part les liants et les granulats, des composés minéraux sont utilisés pour la composition des bétons réfractaires. Le choix de ces matériaux dépend des propriétés physiques, chimiques ou de résistance mécanique que l’on souhaite obtenir en terme d’absorption de chaleur ou d’isolation, de conductivité et de résistance aux chocs mécaniques.
Comme minéraux utilisés, on peut citer la micro silice, le sulfate d’aluminium, la chamotte, l’andalousite, le bauxite, la mullite et le corindon tandis qu’aux fins d`isolation, il est possible d’utiliser la perlite.
Il va donc s’opérer, sous l’action des hautes températures, entre les différents liants, des réactions chimiques de sorte que la nature du matériau final va complètement être modifié.

Transformation du liant hydraulique avec la température
Après sa mise en œuvre, le béton prend et durcit. Au cours des premières heures, il passe d’un état visqueux à un état solide au fur et à mesure que des liaisons se créent dans le liant lors de l’hydratation des anhydres. Les réactions chimiques se poursuivent dans le temps et permettent d’accroître la rigidité et la résistance du liant et par conséquent celle du béton.
Lorsque le béton réfractaire est soumis à un traitement thermique, les hydrates du liant se transforment d’abord en hydrates stables puis en anhydres par perte de l’eau chimiquement liée. Les transformations physico-chimiques du liant modifient profondément le comportement du béton. Elles dépendent de la nature et des proportions des différents constituants. Chaque transformation physico-chimique produit une évolution de la microstructure de la phase liante et influence le comportement thermomécanique du matériau à l’échelle macroscopique.

Les propriétés des bétons réfractaires
Les bétons réfractaires se caractérisent par :

  • la résistance à la chaleur ;
  • le facteur isolant ;
  • la résistance à la corrosion ;
  • la résistance à la fissuration ;
  • la résistance aux impacts mécaniques (chocs, tension, traction, etc.) ;
  • la capacité à accumuler la chaleur ;
  • la finition de la surface (pas de trous, par exemple pour la dalle du four à cuisson) ;
  • la malléabilité.

Les différents types de bétons réfractaires
On distingue deux grandes familles de bétons réfractaires telles que les bétons réfractaires denses et les bétons réfractaires isolants.

  • Les bétons réfractaires sont denses quand leur densité est égale ou supérieure à 1 750 Kg/m3. Ces bétons réfractaires s’utilisent dans les fourneaux, les blocs de brûleur, les fours à moufle et les chaudronneries. Exemples : four de fusion, four à forge, four de cimenterie.

La résistance à l’abrasion, au choc thermique et à l’agressivité thermique des scories est déterminée par le choix des matériaux.
La conductivité thermique étant liée à la densité, les bétons réfractaires denses sont conducteurs et donc très peu isolants.

  • Les bétons réfractaires isolants ont des densités, après cuisson, de 1 500 Kg/m3 ou moins. Ils sont prioritairement utilisés pour la construction d’enceintes ou de fours ne présentant pas de risques mécaniques majeurs. Ils s’utilisent aussi sur les surfaces exposées aux températures élevées ainsi que comme couche supplémentaire de revêtement derrière les briques et les bétons réfractaires de haute densité. Leur rôle est de limiter les déperditions thermiques. Exemples : four de traitement thermique, de céramique.

Les bétons réfractaires isolants sont couramment utilisés pour la réalisation de pièces de forme moulée.

Séchage et cuisson des bétons réfractaires
Avant d’être mise en service, toute réalisation en béton réfractaire devra être soigneusement séchée. Le séchage ne devra pas être trop rapide pour les raisons suivantes :

  • Les bétons ont une plus faible porosité que les briques ou les matériaux réfractaires plastiques de qualité comparable, ce qui rend l’élimination de l’eau plus difficile lorsqu’ils sont chauffés.
  • Un chauffage trop rapide peut provoquer la création de fissures qui se formeront sur la face froide puis se propageront à travers le garnissage jusqu’à la face chaude. Il est souhaitable que la température s’élève lentement, à raison de 50 °C par heure jusqu’à 110 °C, puis soit maintenue à cette valeur pendant une durée minimum de 18 à 24 h de manière à permettre l’élimination progressive de l’eau contenue dans le béton .

Pour la cuisson, il est suggéré d’élever graduellement la température jusqu’à 550 à 600 °C à raison de 2 h par 25 mm d’épaisseur (par exemple en 12 h pour une épaisseur de 150 mm) et d’effectuer un pallier de 8 h à cette température. Ensuite, la température est élevée à raison de 50°C par heure environ, jusqu’à la température d’opération.

Remarque : Plus le séchage à l’air du béton sera long avant exposition à la température, meilleure sera sa résistance.

Conditions de stockage


Béton réfractaire

Afin d’éviter une absorption d’humidité, les bétons réfractaires doivent être entreposés dans un local frais, sec et bien ventilé. Autrement, il faut effectuer des essais de résistance mécanique après séchage avant utilisation. Une exposition à l’humidité entraînera la formation de conglomérats solides qui réduiront l’efficacité des liants.
Dans le cas du stockage de ces matériaux à l’extérieur, ils devront être placés sur une plateforme ventilée séparée du sol et protégée par une bâche étanche qui devra empêcher tout contact avec l’eau.