UNIVERSITE TOULOUSE III – PAUL SABATIER U.F.R. P.C.A. THESE En vue de l’obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITE TOULOUSE III – PAUL SABATIER Spécialité GENIE CIVIL Par Maher EL BARRAK CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’APTITUDE A L’ECOULEMENT DES BETONS AUTOPLACANTS A L’ETAT FRAIS Thèse dirigée par Alain BASCOUL co-encadrée par Michel MOURET Soutenue le 12 juillet 2005 Jury : M. Alain BASCOUL Professeur à l’IUT de Toulouse Mme Pascale DE CARO MCF à l’ENSIACET de Toulouse, invitée M. Christophe LANOS Professeur à l’IUT de Rennes, rapporteur M. Michel MOURET MCF à l’Université Toulouse III – Paul Sabatier M. Ange NZIHOU Professeur à l’Ecole des Mines d’Albi, examinateur M. Gérard PONS Professeur à l’INSA de Toulouse, examinateur M. Eric WIRQUIN MCF HDR à l’Université d’Artois, rapporteur
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UNIVERSITE TOULOUSE III – PAUL SABATIER U.F.R. P.C.A.
THESE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE TOULOUSE III – PAUL SABATIER
Spécialité GENIE CIVIL
Par
Maher EL BARRAK
CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’APTITUDE A L’ECOULEMENT DES BETONS AUTOPLACANTS
A L’ETAT FRAIS
Thèse dirigée par Alain BASCOUL
co-encadrée par Michel MOURET
Soutenue le 12 juillet 2005
Jury : M. Alain BASCOUL Professeur à l’IUT de Toulouse Mme Pascale DE CARO MCF à l’ENSIACET de Toulouse, invitée M. Christophe LANOS Professeur à l’IUT de Rennes, rapporteur M. Michel MOURET MCF à l’Université Toulouse III – Paul Sabatier M. Ange NZIHOU Professeur à l’Ecole des Mines d’Albi, examinateur M. Gérard PONS Professeur à l’INSA de Toulouse, examinateur M. Eric WIRQUIN MCF HDR à l’Université d’Artois, rapporteur
Maher EL BARRAK
Contribution à l’étude de l’aptitude à l’écoulement des bétons autoplaçants à l’état frais
Thèse de Doctorat, spécialité Génie Civil
Université Toulouse III – Paul Sabatier
Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions INSA/UPS – génie civil
Résumé : Ce travail s’inscrit dans la problématique de plusieurs projets de recherche visant à comprendre et contrôler les propriétés autoplaçantes des bétons à l’état frais. Il se situe à deux échelles : celle de la pâte et celle du béton. La rhéologie de la pâte est étudiée en fonction des dosages du ciment, du filler calcaire, du superplastifiant, de l’agent de viscosité et de l’eau. L’ordre d’influence de chacun des constituants, ainsi que leurs interactivités sur le seuil de cisaillement, la viscosité et l’étalement, sont mis en évidence grâce à la technique des plans de mélanges. Une composition de pâte autoplaçante en est déduite. En associant un squelette granulaire à la pâte optimale, nous montrons que nous obtenons un béton autoplaçant par ajout d’eau au delà de celle retenue par les granulats. Ce supplément peut être remplacé par le volume équivalent de pâte. La théorie de la pâte en excès permet de quantifier le volume de pâte nécessaire à l’écoulement autoplaçant. Un diamètre représentatif de chaque classe granulaire est établi à l’aide des moments statistiques de la distribution. En couplant cette représentation au modèle d’empilement compressible, nous définissons un paramètre d’homothétie entre les diamètres des granulats bruts et enrobés. Il permet de proposer une méthode de formulation des bétons autoplaçants. Mots-clés : béton autoplaçant BAP, pâte de ciment, ouvrabilité, rhéologie, formulation, constituants, interactivités, plan de mélange, diamètre représentatif, pâte en excès, squelette granulaire.
REMERCIEMENTS
Ce travail de thèse a été effectué au sein du Laboratoire Matériaux et Durabilité des
Constructions à l’Université Paul Sabatier et l’INSA de Toulouse.
Je tiens à remercier Mme Ginette Arliguie, directrice du LMDC, de m’avoir accueilli au sein
du laboratoire.
Je remercie particulièrement MM. Alain Bascoul et Michel Mouret qui ont dirigé et
accompagné ce travail, et au contact desquels j’ai beaucoup appris. Je souligne leur grande
compétence, ainsi que leur disponibilité.
MM. Christophe Lanos et Eric Wirquin ont accepté d’être rapporteurs de cette thèse ; je les
remercie sincèrement pour leur lecture critique et éclairante sur le sujet.
Je remercie M. Gérard Pons d’avoir accepté d’examiner ce travail de recherche et de présider
mon jury de thèse. Je remercie également Mme Pascale de Caro et M. Ange Nzihou,
examinateurs de ce travail, pour leur précieuse collaboration durant ce travail.
Merci à l’ensemble des personnes du LMDC m’ayant apporté leur aide scientifique,
administrative ou technique au cours de mon travail. Merci en particulier à Mathieu Garros,
Bernard Attard, Gérard Léger, Jean Ranera, Zizou, Anne et Richard.
Je tiens à remercier profondément tous les chercheurs ou anciens chercheurs grâce à qui mon
intégration en France et au sein du laboratoire a été possible. Je suis heureux de compter
parmi mes amis : Alexandra Bertron, Gilles Klysz, Jean-Philippe Monlouis-Bonnaire. Je
n’oublierai jamais leur soutien quotidien et leur générosité. Un grand Merci va aussi à
Mahmoud Ismail, Marie Coutand, Stéphane Multon, Yann Landon.
Je remercie mes proches et amis du Liban, Mazen et Hala, Anis, Dani, Farhat, Georges, Moni,
Paul, Rami et enfin Diana et Roy, pour leur fidélité et leur soutien durant tout mon séjour loin
d’eux.
Enfin, je remercie tout particulièrement Madona mon amour, Nader mon petit frère, Wassim
mon grand frère et Fabienne ma belle soeur, Samir et Siham mes parents, qui étaient à mes
côtés tout au long de ce travail. C’est grâce à leur amour, leur soutien et leur courage que j’en
suis là aujourd’hui. Je leur dédie ce manuscrit en gage de ma reconnaissance.
Table des matières 1
TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES .................................................................................................................... 1
6. AGENTS DE VISCOSITE ............................................................................................................................. 57 6.1. Propriétés et mécanismes d’actions................................................................................................... 58 6.2. Adjuvants à base de silice précipitée ................................................................................................. 59
7. INTERACTIONS ENTRE CONSTITUANTS ..................................................................................................... 60 8. BILAN...................................................................................................................................................... 61
SYNTHESE DE LA PARTIE I .......................................................................................................... 63
Table des matières 2
PARTIE II : ETUDE DES SUSPENSIONS CIMENTAIRES ........................................................ 65
CHAPITRE 3 – MATERIAUX ET METHODES : PATES DE CIMENT ................................... 66 1. INTRODUCTION........................................................................................................................................ 66 2. MATERIAUX ............................................................................................................................................ 66
2.1. Ciment (C) et Filler calcaire (F)........................................................................................................ 66 2.2. Adjuvants : Superplastifiant (SP) et Agent de Viscosité (AV) ............................................................ 67
3. METHODES DE PREPARATION DES PATES DE CIMENT ............................................................................... 68 4. CONSISTANCE DE LA PATE DE CIMENT : ASPECT VISUEL .......................................................................... 68 5. PROGRAMME LMDC............................................................................................................................... 69
5.1. Matériel de mesure rhéologique ........................................................................................................ 69 5.2. Mesure du seuil de cisaillement statique............................................................................................ 70 5.3. Mesure de la viscosité apparente....................................................................................................... 71 5.4. Essai d’ouvrabilité : mini-cône.......................................................................................................... 75 5.5. Echéances d’essais............................................................................................................................. 76
6. PROGRAMME ENSTIMAC ...................................................................................................................... 77 6.1. Matériel de mesure rhéologique ........................................................................................................ 77 6.2. Mesure du seuil de cisaillement statique............................................................................................ 78 6.3. Etablissement de la courbe d’écoulement.......................................................................................... 79 6.4. Echéances d’essais............................................................................................................................. 80
CHAPITRE 5 – ANALYSE PAR PLAN DE MELANGE............................................................... 95 1. INTRODUCTION........................................................................................................................................ 95 2. METHODOLOGIE DE LA RECHERCHE EXPERIMENTALE : PLAN DE MELANGE............................................. 96
2.1. Modèles mathématiques utilisés......................................................................................................... 97 2.2. Construction de la matrice d’expérience ........................................................................................... 97 2.3. Elaboration de la matrice d’expériences : algorithme d’échange..................................................... 99
3. MISE EN ŒUVRE D’UN PLAN DE MELANGE POUR L’ETUDE DES PATES DE CIMENT .................................. 100 3.1. Détermination d’un domaine expérimental...................................................................................... 101 3.2. Détermination de la matrice d’expériences ..................................................................................... 102 3.3. Réalisation des expériences et réponses expérimentales ................................................................. 106 3.4. Fiabilité du modèle postulé.............................................................................................................. 108 3.5. Etude de désirabilité : pâte optimale ............................................................................................... 111
4. EXPLOITATION ET ANALYSE DES RESULTATS......................................................................................... 115 4.1. Rôle des constituants sur le comportement des mélanges................................................................ 115 4.2. Recherche d’interactivité entre constituants.................................................................................... 124 4.3. Interprétations.................................................................................................................................. 128
PARTIE III : ASSOCIATION PATE – GRANULAT ............................................................... 135
CHAPITRE 6 – MATERIAUX ET METHODES : BETON ........................................................ 136 1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 136 2. CARACTERISTIQUES DES GRANULATS.................................................................................................... 136
2.1. Eau retenue par les granulats .......................................................................................................... 138 2.2. Compacité des granulats.................................................................................................................. 139
4.1. Matériel de mesure : Rhéomètre RheoCAD..................................................................................... 141 4.2. Procédure de mesure et grandeurs mesurées .................................................................................. 142
CHAPITRE 7 – CONFECTION D’UN BETON AUTOPLACANT (BAP)................................. 145 1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 145 2. PRINCIPE GENERAL DE RECHERCHE D’UNE FORMULATION DE BAP....................................................... 145 3. PROCEDURE EXPERIMENTALE................................................................................................................ 146 4. MALAXAGE ET ECHEANCES D’ESSAI...................................................................................................... 148 5. RESULTATS............................................................................................................................................ 149
5.1. Composition du volume ajouté pour les différents bétons................................................................ 149 5.2. Formulations théoriques des bétons ................................................................................................ 150 5.3. Calcul de la dispersion expérimentale ............................................................................................. 150 5.4. Ouvrabilité ....................................................................................................................................... 151 5.5. Rhéologie ......................................................................................................................................... 152 5.6. Résistance à 28 jours ....................................................................................................................... 153 5.7. Influence du choix du dernier ajout sur le comportement des bétons .............................................. 154 5.8. Bilan................................................................................................................................................. 156
6. EAU RETENUE PAR LES GRANULATS ...................................................................................................... 156 6.1. Dispersion expérimentale ................................................................................................................ 157 6.2. Résultats et validation...................................................................................................................... 157 6.3. Bilan................................................................................................................................................. 160
CHAPITRE 8 – CARACTERISATION DU SQUELETTE GRANULAIRE ............................. 162 1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 162 2. DETERMINATION DU DIAMETRE REPRESENTATIF D’UN GROUPE DE GRANULATS.................................... 162
2.1. Introduction...................................................................................................................................... 162 2.2. Méthodologie ................................................................................................................................... 163 2.3. Application....................................................................................................................................... 169 2.4. Intérêt de la méthode de détermination du diamètre représentatif DRi ............................................ 170
CHAPITRE 9 – ANALYSE DE L’INTERACTION PATE - GRANULATS.............................. 181 1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 181 2. THEORIE DE LA PATE EN EXCES ............................................................................................................. 182
2.1. Principe............................................................................................................................................ 182 2.2. Epaisseur de la pâte en excès........................................................................................................... 183 2.3. Bilan................................................................................................................................................. 185
3. DETERMINATION DE L’EPAISSEUR DE LA PATE EN EXCES....................................................................... 187 3.1. Résultats........................................................................................................................................... 187 3.2. Bilan................................................................................................................................................. 188
4. DETERMINATION D’UN FACTEUR REPRESENTATIF DU COMPORTEMENT AUTOPLAÇANT......................... 189 4.1. Approche.......................................................................................................................................... 189 4.2. Validation du paramètre k ............................................................................................................... 190 4.3. Bilan................................................................................................................................................. 192
5. CONTRIBUTION A LA FORMULATION DES BETONS AUTOPLAÇANTS........................................................ 192 5.1. Principe............................................................................................................................................ 192 5.2. Exemple de validation...................................................................................................................... 195
Viscosité apparente des suspensions fluides.............................................................................................. 217 Seuils de cisaillement des pâtes de ciment................................................................................................. 218 Viscosité apparente des pâtes de ciment ................................................................................................... 220
ANNEXES CHAPITRE 5 (ANALYSE PAR PLAN DE MELANGE)............................................................................. 221 Fiabilité du modèle.................................................................................................................................... 221 Analyse descriptive.................................................................................................................................... 222 Arbres binaires .......................................................................................................................................... 223
LISTE DES FIGURES...................................................................................................................... 224
LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................................. 227
Introduction générale 5
INTRODUCTION GENERALE
Le béton est un matériau utilisé depuis des millénaires à cause de la facilité de sa fabrication,
de sa simple mise en place à l’état frais, de ses propriétés mécaniques et de durabilité à l’état
durci. On estime actuellement que la production mondiale atteint une moyenne annuelle d’une
tonne de béton par habitant.
Parmi les différentes familles de béton, le béton autoplaçant (BAP) est encore en cours
d’émergence dans le domaine de la construction civile, bâtiment et travaux publics. Le BAP
est un béton très fluide qui se met en place par gravité sans apport extérieur ou intérieur de
vibration. Ce matériau est notamment employable pour la réalisation d'ouvrages d'art.
L'intérêt de ce type de matériau dans les constructions civiles réside dans l'absence de
nuisance sonore en milieu urbain, la possibilité de bétonner des zones extrêmement
ferraillées, une plus grande sécurité sur les chantiers, une excellente qualité des parements,
une réduction des coûts des processus industriels.
Les premières études publiées entre 1990 et 2000 sur ce type de matériau sont japonaises et
concernent principalement les bétons à hautes performances fortement dosés en ciment, avec
une proportion d'eau réduite et l'adjonction d’adjuvants.
En Europe, la tendance pour l'utilisation du BAP est différente car il est envisagé de formuler
des bétons de classe ordinaire (BO, de 25 à 50 MPa de résistance à la compression) sans avoir
recours à une quantité importante de liant ou de fines minérales. L'usage des BAP pourrait
alors être étendu au domaine du bâtiment standard et amener des changements significatifs
dans les procédés de construction.
C’est pourquoi des projets aussi bien à l’échelle européenne que nationale ont vu le jour à
l’horizon 2000 pour mieux comprendre et donc mieux cerner les propriétés autoplaçantes.
Naturellement, de nombreuses questions, suspendues à l'effort de recherche scientifique dans
un domaine encore récent, ont défini les actions à mener dans le cadre de ces projets. Ces
questions touchent à la fois à la formulation du BAP, au comportement du matériau à l'état
frais et les moyens de sa caractérisation, à son comportement mécanique à l'état durci à court
et long termes, à sa résistance aux agressions chimiques ou à des actions hygro-thermiques de
gel-dégel pour ne citer que les préoccupations essentielles. S’agissant du Projet National, les
études sont pour la plupart achevées et donnent maintenant lieu à la rédaction de documents
finaux qui devraient servir de base à l’élaboration de recommandations.
Introduction générale 6
La présente étude s’inscrit dans le cadre de plusieurs projets de recherche : le projet national
béton autoplaçant PN BAP et le projet Région Midi-Pyrénées « Amélioration des
constructions par la maîtrise des BAP ». Elle concerne l’étude de l’aptitude à l’écoulement
des BAP. Elle a pour objectif de comprendre les rôles joués par les différents constituants
susceptibles d’entrer dans la formulation des BAP, de mettre en évidence les éventuelles
interactions entre constituants, et de proposer une approche contribuant à leur formulation.
Le mémoire est décomposé en 3 parties. La première partie présente une revue
bibliographique concernant les propriétés principales des BAP et des paramètres influents
dans sa composition. Le premier chapitre présente d’abord les propriétés des BAP en termes
d’ouvrabilité et de rhéologie, ainsi que les méthodes de caractérisation correspondantes.
Ensuite il présente les approches de formulation existantes. Le deuxième chapitre explique le
rôle joué par les différents constituants des BAP et les paramètres influents sur l’écoulement.
La deuxième partie concerne particulièrement l’étude à l’échelle de la pâte de ciment. Son
objectif est de comprendre l’influence des constituants fins susceptibles d’entrer dans la
composition des BAP, et de mettre en évidence des interactions entre constituants. Une pâte
aux critères autoplaçants est définie et constitue le point de départ de la dernière et troisième
partie. La deuxième partie est constituée de 3 chapitres. Le chapitre 3 présente les matériaux,
outils et méthodes utilisés pour la réalisation de cette étude. Le chapitre 4 concerne une
démarche paramétrique classique pour comprendre le rôle des constituants des pâtes de
ciment dans l’écoulement. Le chapitre 5 consiste à mettre en œuvre une stratégie basée sur le
plan de mélange. A partir de la base de données issue du plan de mélange, des analyses
statistiques permettent d’établir un classement par ordre d’importance des influences des
constituants sur les propriétés d’écoulement. Par ailleurs, le plan de mélange permet de
déceler des interactivités entre constituants d’une part et d’obtenir une pâte de ciment
autoplaçante d’autre part.
Le passage à l’échelle du béton fait l’objet de la troisième et dernière partie. Le chapitre 6
décrit les matériaux, les outils et les méthodes nécessaires pour la réalisation des bétons. Le
chapitre 7 propose une démarche de composition en associant une pâte de ciment autoplaçante
à différents squelettes granulaires. Une analyse du rôle de l’eau dans le béton est effectuée, de
laquelle découle un principe de formulation des bétons autoplaçants. Affirmer ce principe
nécessite une caractérisation du squelette granulaire qui fait l’objet du chapitre 8. Notamment
une approche est développée pour déterminer la taille représentative des classes d’une
distribution granulaire. Ce paramètre est utilisé pour déterminer la compacité maximale du
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première partie présente une revue
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bibliographique concernant les propriétés principales des BAP et des paramètres influents
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dans sa composition.
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en termes
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d’ouvrabilité et de rhéologie, ainsi que les méthodes de caractérisation correspondantes.
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approches de formulation existantes.
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rôle joué par les différents constituants des BAP et les paramètres influents sur l’écoulement.
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deuxième chapitre explique le
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l’étude à l’échelle de la pâte de ciment.
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déceler des interactivités entre constituants d’une part
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d’obtenir une pâte de ciment
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autoplaçante d’autre part.
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des analyses statistiques permettent d’établir un classement par ordre d’importance des influences des constituants sur les propriétés d’écoulement.
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comprendre le rôle des constituants des pâtes de
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ciment dans l’écoulement.
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chapitre 4
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chapitre 3 présente les matériaux,
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outils et méthodes utilisés pour la réalisation de cette étude.
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Une pâte
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aux critères autoplaçants est définie
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comprendre l’influence des constituants fins susceptibles d’entrer dans
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composition des BAP,
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de mettre en évidence des interactions entre constituants.
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chapitre 6
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décrit les matériaux, les outils et les méthodes nécessaires pour la réalisation des bétons.
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chapitre 7 propose une démarche de composition en associant une pâte de ciment autoplaçante à différents squelettes granulaires.
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analyse du rôle de l’eau dans le béton est effectuée,
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de
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laquelle découle un principe de formulation des bétons autoplaçants.
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caractérisation du squelette granulaire qui fait l’objet du chapitre 8.
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une approche est développée pour déterminer la taille représentative des classes d’une distribution granulaire.
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paramètre est utilisé pour déterminer la compacité maximale du
Introduction générale 7
squelette granulaire et sa surface. Le principe de formulation est précisé dans le chapitre 9 en
utilisant la théorie de la pâte en excès. Elle conduit à proposer un paramètre caractéristique
définissant l’interaction pâte-granulats. Ce paramètre est validé sur l’ensemble de nos
Le béton autoplaçant BAP est désormais connu comme un béton très fluide, homogène, qui se
met en place sous le seul effet de la gravité. Son développement a commencé au Japon à la fin
des années 1980 pour des raisons économiques (réduction de la main d’œuvre, rapidité de
mise en place) et s’est progressivement répandu dans le reste du monde. En effet, la qualité de
matériau autoplaçant confère au béton plusieurs avantages techniques et socio-économiques
par rapport au béton ordinaire [OKA99] :
Avantages techniques :
Facilité et rapidité dans la mise en œuvre du béton (coulage en un seul point,
augmentation du débit de béton pompé).
Bétonnage en milieux fortement ferraillés.
Amélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciers.
Réalisation d’éléments de forme plus complexe.
Avantages socio-économiques :
Réduction du coût de la main d’œuvre.
Absence de systèmes de vibration (intérieurs ou extérieurs) réduisant ainsi les coûts et les
nuisances sonores dans et au voisinage du chantier.
Réduction du temps de bétonnage et des besoins de ragréage.
Toutefois, certains points restent à surveiller dans l’utilisation du béton autoplaçant :
Augmentation du coût des matières premières, par la présence des nouveaux adjuvants, et
des différentes additions minérales.
Compatibilité des matériaux.
Etanchéité des coffrages.
Les premiers BAP ont été confectionnés avec des ajouts de fluidifiants réduisant ainsi le
rapport eau sur ciment (E/C) du béton. Les plastifiants ou les superplastifiants confèrent au
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 10
béton une grande fluidité, puisqu’ils s’adsorbent à la surface des particules de ciment et
agissent par effets stérique et électrostatique pour disperser ces particules. Cette fonction
diminue d’une part le phénomène de floculation du ciment au contact de l’eau, et augmente
d’autre part la proportion d’eau libre dans la suspension [BARO96]. Cependant, les
superplastifiants peuvent augmenter les risques de ségrégation et de sédimentation dans le
béton. Le fait de leur associer des agents de viscosité aide à maintenir les granulats en
suspension et permet au béton de garder un squelette granulaire bien reparti dans tout le
volume.
Les différentes approches visant à concevoir des bétons autoplaçants ont abouti à des
formulations de bétons ayant un volume de pâte plus important que celui des bétons
ordinaires (pour des résistances mécaniques égales). En effet, la présence de la pâte (mélange
du ciment, des adjuvants, de l’eau efficace et des additions minérales) remplit les vides et
écarte les granulats, minimisant ainsi les frictions et les frottements. Ceci a pour conséquence
d’améliorer l’ouvrabilité et l’écoulement du béton. Les BAP contiennent donc une quantité
moins importante de gravier, et beaucoup plus de fines (particules inférieures à 80 microns).
Les additions minérales de type filler calcaire, cendre volante, fumée de silice, laitier, etc. ont
gardé leur rôle comme substituant partiel du ciment dans les BAP. Différents matériaux sont
de plus utilisés dans la réalisation d’un béton autoplaçant, comme les entraîneurs d’air, les
retardateurs ou accélérateurs de prise, et les réducteurs d’eau. Aujourd'hui, les méthodes de
fabrication et les produits de béton demandés par l'industrie sont de plus en plus compliqués
et variés.
La réalisation d’un BAP est devenue de ce fait une opération plus complexe que celle d’un
béton ordinaire traditionnel. En effet, il s’agit de combiner un nombre plus élevé de
matériaux, opération accompagnée d’éventuels problèmes de compatibilités entre matériaux
(ciment - adjuvants, adjuvant – adjuvant).
2. Ouvrabilité des bétons autoplaçants
2.1. Propriétés
Les bétons ordinaires sont des matériaux qui se mettent en place sous l’effet de sollicitations
extérieures ou intérieures telles que la vibration. Les bétons autoplaçants de leur côté se
comportent comme des fluides plus ou moins visqueux et se mettent en place sans
sollicitation. De ce fait, les deux bétons se comportent de façon très différente. Sur chantier, le
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Les différentes approches visant à concevoir des bétons autoplaçants ont abouti à des formulations de bétons ayant un volume de pâte plus important que celui des bétons ordinaires
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pour des résistances mécaniques égales).
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remplit les vides et
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écarte les granulats,
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minimisant ainsi les frictions et les frottements.
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la présence de la pâte
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d’améliorer l’ouvrabilité et l’écoulement du béton.
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moins importante de gravier,
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beaucoup plus de fines
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particules inférieures à 80 microns).
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Les additions minérales de type filler calcaire, cendre volante, fumée de silice, laitier, etc. ont gardé leur rôle comme substituant partiel du ciment dans les BAP.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 11
test d’affaissement au cône d’Abrams est très utile pour caractériser les bétons ordinaires,
alors qu’il n’est utilisé que pour mesurer l’étalement de la galette d’un BAP et le temps de
passage à une galette intermédiaire de 50 cm de diamètre. Or, un seul test ne suffisant pas à
prédire la qualité d’un béton autoplaçant, plusieurs tests ont été développés pour caractériser
les propriétés du BAP. Les propriétés générales d’un béton autoplaçant frais sont la fluidité et
l’homogénéité. Ces propriétés sont étudiées sur plusieurs aspects, et peuvent se diviser en
trois critères mesurables par des tests empiriques : le remplissage, la résistance à la
ségrégation, et la capacité à passer à travers les obstacles que nous appellerons capacité de
passage [AFG00][RIL01].
2.1.1. Le remplissage
Le remplissage du béton, ou la déformabilité, est un critère qui découle directement de sa
fluidité. Le béton autoplaçant est capable de remplir les vides et les espaces difficiles dans un
milieu confiné, en se déformant sous l’effet de son propre poids, et sans sollicitations
(vibrations externe ou interne). Le remplissage est observé sous deux aspects : la capacité de
remplissage et la vitesse de remplissage. Le premier aspect est lié à la capacité de déformation
du béton, il traduit le pourcentage rempli ou la distance atteinte dans l’espace. Le second est
lié à la vitesse de déformation, il traduit ainsi la vitesse d’écoulement du béton. Le test
d’étalement au cône d’Abrams donne des indications sur les deux aspects [AFG00], puisque
le diamètre final atteint par la galette de béton correspond à la capacité de déformation, et le
temps de passage à un certain diamètre (à 50 cm de diamètre par exemple) correspond à la
vitesse de la déformation du béton.
La fluidité d’un béton autoplaçant est contrôlée par l’état de contrainte existant entre les
particules qui le constituent. En effet, pour que le béton s’écoule bien, il est primordial de
réduire les frictions et les frottements existants entre les particules solides (gravier, sable,
additions, liant) qui génèrent des contraintes empêchant l’écoulement. Si on considère que
pendant son écoulement, le béton est un matériau diphasique, et que les granulats (phase
solide) baignent dans une suspension fluide (phase liquide) formée de la pâte de ciment (ou du
mortier), il est nécessaire d’augmenter le volume de pâte (ou diminuer le volume de granulats)
pour favoriser l’écoulement du béton [PED03][SME01]. L’utilisation de granulats roulés (de
forme plus ou moins sphérique) peut aussi être avantageuse lorsqu’on désire réduire les
frictions entre les granulats. Il est à noter que la réduction des frictions et frottements entre les
particules fines (liant, additions, fines du sable) n’est possible qu’en augmentant le volume
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La fluidité d’un béton autoplaçant est contrôlée par l’état de contrainte existant entre les particules qui le constituent.
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pour que le béton s’écoule bien, il est primordial de réduire les frictions et les frottements existants entre les particules solides
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qui génèrent des contraintes empêchant l’écoulement.
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béton est un matériau diphasique,
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granulats (phase solide) baignent dans une suspension fluide (phase liquide) formée de la pâte de ciment (ou du mortier), il est nécessaire d’augmenter le volume de pâte (ou diminuer le volume de granulats) pour favoriser l’écoulement du béton [PED03][SME01].
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granulats roulés
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avantageuse lorsqu’on désire réduire les frictions entre les granulats.
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réduction des frictions et frottements entre les
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particules fines
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n’est possible qu’en augmentant le volume
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réduction des frictions et frottements entre les particules fines
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n’est possible qu’en augmentant le volume
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 12
d’eau dans le béton. Or une utilisation excessive d’eau diminue considérablement la résistance
à la ségrégation, et conduit à des faibles performances mécaniques du béton à l’état durci.
Par conséquent, un bon équilibre est nécessaire entre la résistance à la ségrégation du béton et
la fluidité par réduction des frictions entre les granulats. Pour ce faire, il ne suffit pas
seulement d’augmenter le volume de la pâte qui doit avoir en outre des propriétés
autoplaçantes. En effet, la pâte du béton doit présenter une bonne fluidité (une grande
déformabilité) et conférer au béton une grande résistance à la ségrégation [RIL01]. Du point
de vue rhéologique, cela se traduit par un faible seuil de cisaillement, et une viscosité
suffisante pour assurer le maintien des granulats dans la suspension. La fluidité de la pâte peut
être assurée par l’ajout d’un superplastifiant qui agit en baissant fortement le seuil de
cisaillement de la pâte, et celui du béton si les frottements intergranulaires sont minorés par
un volume suffisant de pâte.
2.1.2. La résistance à la ségrégation
La ségrégation d’un mélange correspond à l’absence d’homogénéité dans la distribution des
constituants ce qui provoque généralement une séparation de phases solide et liquide ou bien
une séparation des phases solides en fonction de leurs dimensions [LEG82][RIL01]. La
ségrégation peut donc se manifester dans un béton de façons différentes, comme la séparation
entre la pâte et les granulats, la séparation entre le gravier et le mortier qui peut conduire à un
blocage en zones confinées, et une répartition non homogène de l’air occlus.
Pour éviter la ségrégation, il faut réduire la quantité d’eau libre dans le béton en réduisant le
rapport E/C du béton. L’eau libre dans le béton est généralement mobile et peut trouver son
chemin vers la surface du béton par effet de gravité et de densité indépendamment des solides
dans le mélange. Ceci à l’extrême se traduit par une couche de laitance en surface libre du
béton. Des matériaux de surface granulaire plus élevée, peuvent par absorption et adsorption
retenir une quantité supplémentaire d’eau libre. La résistance à la ségrégation du béton peut
aussi être augmentée en élevant la viscosité de l’eau dans la suspension, avec certains agents
de viscosité.
Les autres aspects de ségrégation sont évités en utilisant une pâte capable de maintenir les
particules solides et l’air distribués uniformément en suspension. Ceci nécessite une forte
interaction entre les phases du béton, qui correspond à des forces résultant des frictions entre
les particules. Or, on ne peut pas augmenter les interactions entre les particules du béton
puisque l’écoulement du béton sera fortement influencé, et les risques de blocages de gravier
Joumana
d’eau dans le béton.
Joumana
d’eau dans le béton.
Joumana
Or une utilisation excessive d’eau diminue considérablement la résistance à la ségrégation, et conduit à des faibles performances mécaniques du béton à l’état durci.
Joumana
un bon équilibre est nécessaire entre la résistance à la ségrégation du béton et la fluidité par réduction des frictions entre les granulats.
Joumana
Pour ce faire, il ne suffit pas seulement d’augmenter le volume de la pâte qui doit avoir en outre des propriétés autoplaçantes.
Joumana
la pâte du béton doit présenter une bonne fluidité (une grande déformabilité) et conférer au béton une grande résistance à la ségrégation [RIL01].
Joumana
faible seuil de cisaillement,
Joumana
suffisante
Joumana
viscosité
Joumana
pour assurer le maintien des granulats dans la suspension.
Joumana
La fluidité de la pâte peut être assurée par l’ajout d’un superplastifiant qui agit en baissant fortement le seuil de cisaillement de la pâte, et celui du béton si les frottements intergranulaires sont minorés par un volume suffisant de pâte.
Joumana
ségrégation d’un mélange correspond à l’absence d’homogénéité dans la distribution des constituants
Joumana
qui provoque généralement une séparation de phases solide et liquide ou bien une séparation des phases solides en fonction de leurs dimensions [LEG82][RIL01].
Joumana
séparation
Joumana
entre la pâte et les granulats,
Joumana
séparation entre le gravier et le mortier qui peut conduire à un blocage en zones confinées,
Joumana
répartition non homogène de l’air occlus.
Joumana
Pour éviter la ségrégation, il faut réduire la quantité d’eau libre dans le béton en réduisant le rapport E/C du béton.
Joumana
Des matériaux de surface granulaire plus élevée, peuvent par absorption et adsorption retenir une quantité supplémentaire d’eau libre.
Joumana
résistance à la ségrégation du béton peut aussi être augmentée en élevant la viscosité de l’eau dans la suspension, avec certains agents de viscosité.
Joumana
autres aspects de ségrégation sont évités en utilisant une pâte capable de maintenir les
Joumana
particules solides
Joumana
l’air distribués uniformément en suspension.
Joumana
nécessite une forte
Joumana
interaction entre les phases du béton,
Joumana
correspond à des forces résultant des frictions entre
Joumana
qui
Joumana
les particules.
Joumana
Or, on ne peut pas augmenter les interactions entre les particules du béton
Joumana
puisque l’écoulement du béton sera fortement influencé, et les risques de blocages de gravier
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 13
seront importants pendant un passage dans un milieu confiné ou encombré par les armatures.
On a donc intérêt à augmenter la cohésion entre les phases, plutôt que les interactions
[RIL01]. Ceci est possible avec une pâte de rapport E/C réduit, ou l’utilisation d’un agent de
viscosité.
2.1.3. La capacité de passage
Le béton autoplaçant doit réunir à la fois la fluidité (la capacité de remplissage) et la
résistance à la ségrégation pour produire un bon écoulement sur un chantier. Cependant, dans
les milieux confinés et les zones fortement ferraillées, il faut que le béton puisse s’écouler
dans les espaces étroits et entre les armatures. En effet, le blocage des granulats est provoqué
d’une part par la quantité importante de granulats dans le béton (plus de gravier, plus de
risques de blocages), et d’autre part par la taille des plus gros granulats par rapport à
l’ouverture entre armatures ou dans un confinement. Le mécanisme de blocage peut être
illustré dans un plan par le schéma de la figure 1.1 qui montre un béton s’écoulant entre deux
armatures avant et au moment du blocage.
Ecoulement
Blocage
Armatures
granulats
Figure 1.1 : représentation en plan d’un blocage de granulats à travers deux armatures
A l’approche des armatures, une différence se crée entre la vitesse des granulats et celle de la
pâte. Plus rapide, la pâte précède les granulats en passant à travers les armatures [NOG99].
Ainsi, la quantité de granulats est considérée localement plus grande avant les armatures et
tend à augmenter avec l’écoulement du béton. Ce phénomène s’explique par le lessivage de la
pâte à travers les granulats au niveau du passage entre les armatures [SED99-a]. Par
conséquent, les frictions et les collisions entre les granulats sont plus importantes, et créent de
cts entre les granulats à l’amont de l’ouverture entre les armatures, ce qui multiples conta
provoque la formation éventuelle d’un arc stable de granulats bloquant l’écoulement du béton.
Joumana
seront importants pendant un passage dans un milieu confiné ou encombré par les armatures.
Joumana
On a donc intérêt à augmenter la cohésion entre les phases, plutôt que les interactions
Joumana
RIL01].
Joumana
[
Joumana
On a donc intérêt à augmenter la cohésion entre les phases, plutôt que les interactions [RIL01].
Joumana
Ceci est possible avec une pâte de rapport E/C réduit,
Joumana
ou l’utilisation d’un agent de
Joumana
viscosité.
Joumana
On a donc intérêt à augmenter la cohésion entre les phases, plutôt que les interactions [RIL01]. Ceci est possible avec une pâte de rapport E/C réduit, ou l’utilisation d’un agent de viscosité.
Joumana
La capacité de passage
Joumana
doit réunir à la fois la fluidité
Joumana
béton autoplaçant
Joumana
capacité de remplissage)
Joumana
et la
Joumana
résistance à la ségrégation pour produire un bon écoulement sur un chantier.
Joumana
Cependant, dans
Joumana
les milieux confinés et les zones fortement ferraillées, il faut que le béton puisse s’écouler dans les espaces étroits et entre les armatures.
Joumana
blocage des granulats est provoqué
Joumana
d’une part par la quantité importante de granulats dans le béton
Joumana
plus de gravier, plus de
Joumana
risques de blocages),
Joumana
d’autre part par la taille des plus gros granulats par rapport à
Joumana
l’ouverture entre armatures ou dans un confinement.
Joumana
: représentation en plan d’un blocage de granulats à travers deux armatures
Joumana
l’approche des armatures, une différence se crée entre la vitesse des granulats et celle de la pâte.
Joumana
A
Joumana
Plus rapide, la pâte précède les granulats en passant à travers les armatures [NOG99].
Joumana
quantité de granulats est considérée localement plus grande avant les armatures et tend à augmenter avec l’écoulement du béton.
Joumana
Ainsi,
Joumana
lessivage de la pâte à travers les granulats au niveau du passage entre les armatures [SED99-a].
Joumana
les frictions et les collisions entre les granulats sont plus importantes,
Joumana
et créent de
Joumana
cts entre les granulats à l’amont de l’ouverture entre les armatures, multiples conta
Joumana
ce qui
Joumana
provoque la formation éventuelle d’un arc stable de granulats bloquant l’écoulement du béton.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 14
Le béton autoplaçant doit posséder donc une bonne capacité de passage à travers les
armatures et dans les confinements. Ceci nécessite une quantité de gravier inférieure à celle
d de tai ite.
2.1.4. Bilan
Un béton est qualifié d’auto proprié le
bon compromis entre des caractéristiques presque contradictoires (fluidité, résistance à la
ségrégation). Pour résumer, riété r
et les actions entreprises pour leu re dans le tableau
Propriétés d’un BAP Moyens d’obtention Actio tion
’un béton ordinaire, et lle maximale plus pet
plaçant s’il satisfait les tés citées ci-dessus, en trouvant
nous présentons les prop
r mise en œuv
s des BAP, les moyens de les obteni
1.1.
ns à mener dans la formula
Réduction des frictions entre les particules Augmentation du volume de pâte
Utilisation lastifiants de superpRemplissage (fluidité)
Optimisation de la pâte Optimisation du rapport E/C
Réduction du rapport E/C Utilisation d x de grande e matériau
surface granulaire Réduction de l’eau libre
dans le béton Utilisation d’agents de viscosité
Réduction du rapport E/C Utilisation d’agents de viscosité
Résistan
ille maximale des granulats
ce à la Ségrégation
Réduction de la séparation de phases Réduction de la ta
Réduction du volume de gravier Capacité de passage éduction de blocage des
granulats Réduction de la taille maximale des R
granulats
Tableau 1.1 : Propriétés d’ouvrabilité des BAP et les moyens de mise en œuvre
On remarque en général que pour réaliser un BAP il est très important d’avoir un volume plus
élevé de pâte par comparaison aux bétons vibrés. Cette pâte devrait de plus posséder des
propriétés optimales d’écoulement ou représentatives de l’autoplaçabilité.
2.2. Caractérisation
Lors de la formulation, la caractérisation du béton autoplaçant est nécessaire. Cela consiste à
s ci dessus. Ils sont destinés à caractériser le béton avec les
connaître son comportement à l’état frais à partir de tests mis en place depuis son
développement. Les principaux tests réalisés sont empiriques, et ont pour objectif de vérifier
les différentes propriétés définie
Joumana
bon compromis entre des caractéristiques presque contradictoires (fluidité, résistance à la ségrégation).
Joumana
quantité de gravier inférieure à celle
Joumana
de tai ite. ’un béton ordinaire, et lle maximale plus pet
Joumana
d
Joumana
Propriétés d’un BAP Moyens d’obtention Actio tion ns à mener dans la formula Réduction des frictions entre les particules Augmentation du volume de pâte Utilisation lastifiants de superp Remplissage (fluidité) Optimisation de la pâte Optimisation du rapport E/C Réduction du rapport E/C Utilisation d x de grande e matériau surface granulaire Réduction de l’eau libre dans le béton Utilisation d’agents de viscosité Réduction du rapport E/C Utilisation d’agents de viscosité Résistan ille maximale des granulats ce à la Ségrégation Réduction de la séparation de phases Réduction de la ta Réduction du volume de gravier Capacité de passage éduction de blocage des granulats Réduction de la taille maximale des R granulats Tableau 1.1 : Propriétés d’ouvrabilité des BAP et les moyens de mise en œuvre
Joumana
et les actions entreprises pour leu re dans le tableau Propriétés d’un BAP Moyens d’obtention Actio tion r mise en œuv 1.1. ns à mener dans la formula Réduction des frictions entre les particules Augmentation du volume de pâte Utilisation lastifiants de superp Remplissage (fluidité) Optimisation de la pâte Optimisation du rapport E/C Réduction du rapport E/C Utilisation d x de grande e matériau surface granulaire Réduction de l’eau libre dans le béton Utilisation d’agents de viscosité Réduction du rapport E/C Utilisation d’agents de viscosité Résistan ille maximale des granulats ce à la Ségrégation Réduction de la séparation de phases Réduction de la ta Réduction du volume de gravier Capacité de passage éduction de blocage des granulats Réduction de la taille maximale des R granulats Tableau 1.1 : Propriétés d’ouvrabilité des BAP et les moyens de mise en œuvre
Joumana
volume
Joumana
taille maximale
Joumana
d’agents
Joumana
de viscosité
Joumana
Réduction
Joumana
E/
Joumana
C
Joumana
ille maximale
Joumana
ta
Joumana
Réduction
Joumana
x de grande matériau
Joumana
surface granulaire
Joumana
d’agents de viscosité
Joumana
E/C
Joumana
Réduction
Joumana
superp
Joumana
lastifiants
Joumana
E/
Joumana
C
Joumana
Optimisation
Joumana
volume
Joumana
de pâte
Joumana
Augmentation
Joumana
Remplissage (fluidité)
Joumana
Résistan ce à la
Joumana
Ségrégation
Joumana
Capacité de passage
Joumana
blocage
Joumana
séparation
Joumana
l’eau libre
Joumana
pâte
Joumana
frictions
Joumana
pour réaliser un BAP il est très important d’avoir un volume plus élevé de pâte par comparaison aux bétons vibrés.
Joumana
On remarque en général que
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 15
termes qualitatifs de fluidité, hétérogénéité et absence de blocage. Nous présentons dans cette
partie les principaux tests d’ouvrabilité pour la caractérisation des bétons autoplaçants.
2.2.1. Essai de l’étalement au cône d’Abrams
C’est l’essai le plus courant pour évaluer la fluidité du béton, car il est très simple à réaliser
sur chantier. Ce test nécessite un cône d’Abrams et une plaque métallique plane graduée à un
diamètre de 50 cm (figure 1.2).
Diamètre final
50 cm
Cône
d’AbramsGalette de Béton Mesure du tempsde passage
s au passage à un diamètre de 50 cm [AFG00].
50 alitative. En général,
des valeurs élevées de T50 traduisent un béton de vitesse de déformation faible (viscosité
élevée). Toutefois, le T50 est une valeur difficile à mesurer, surtout pour le cas des bétons très
fluides ; lancer et arrêter le chronomètre au moment où le cône est levé et où le béton passe au
Figure 1.2 : Schématisation de l’essai d’étalement au cône d’Abrams
L’essai consiste à mesurer le diamètre moyen final que prend le béton après le soulèvement
vertical du cône, ainsi que le temp
Le diamètre de la galette de béton est le paramètre qui caractérise la fluidité, plus il est grand
plus le béton est fluide (capacité de remplissage élevée). L’étalement final d’un béton
autoplaçant peut varier entre 50 cm et 80 cm en fonction de l’utilisation du béton [WALR03]
[REG05].
Cet essai permet aussi de détecter visuellement les premiers signes de ségrégation du béton
(présence d’une épaisseur de laitance en périphérie de la galette, accumulation de gravier au
centre d’une galette de mortier).
Le temps de passage de la galette de béton à un diamètre de 50 cm donne une idée sur la
vitesse de déformation du béton. Cette mesure, le T , est une valeur qu
Joumana
principaux tests d’ouvrabilité pour la caractérisation des bétons autoplaçants.
Joumana
s au passage à un diamètre de 50 cm [AFG00]. diamètre moyen final que prend le béton après le soulèvement vertical du cône, ainsi que le temp
Joumana
paramètre qui caractérise la fluidité,
Joumana
plus il est grand
Joumana
plus le béton est fluide
Joumana
capacité de remplissage élevée).
Joumana
peut varier entre 50 cm et 80 cm en fonction de l’utilisation du béton
Joumana
WALR03]
Joumana
REG05].
Joumana
autoplaçant
Joumana
détecter visuellement les premiers signes de ségrégation
Joumana
épaisseur de laitance en périphérie de la galette,
Joumana
accumulation de gravier au
Joumana
centre d’une galette de mortier).
Joumana
temps de passage de la galette de béton à un diamètre de 50 cm donne une idée sur la vitesse de déformation du béton.
Joumana
temps de passage de la galette
Joumana
vitesse de déformation
Joumana
du béton.
Joumana
50 T
Joumana
des valeurs élevées de T50 traduisent un béton de vitesse de déformation faible
Joumana
élevée).
Joumana
viscosité
Joumana
Essai de l’étalement au cône d’Abrams
Joumana
fluidité,
Joumana
hétérogénéité
Joumana
absence de blocage.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 16
diamètre de 50 cm est une estimation subjective. En général, pour un béton autoplaçant, la
littérature mentionne des valeurs allant jusqu’à 7 secondes [GRU03][NIE03]. Cependant,
centrés avant de relever le cône et d’observer l’étalement du béton à travers les armatures. Les
dimensions de l’anneau, des armatures et les espacements entre les armatures sont différents
selon les auteurs et les pa ortées par [DAC03] : les
certains auteurs considèrent que cette valeur peut atteindre 12 secondes, pour des bétons
autoplaçants avec une faible vitesse de déformation [UTS03][BUI02-b].
2.2.2. Essai J-Ring
L’essai du J-Ring (Japanese Ring) consiste à associer un anneau d’armatures à l’essai de
l’étalement au cône d’Abrams. L’anneau d’armatures (figure 1.3) et le cône d’Abrams sont
ys. Nous citons quelques dimensions rapp
diamètres des armatures et les espacements entre armatures peuvent varier respectivement
dans les plages 10-16 mm et 34-48 mm. Le diamètre de l’anneau varie entre 23,5 et 30 cm.
Figure 1.3 : Anneau d’armatures (J-Ring)
Le test J-Ring permet d’évaluer la différence entre le comportement du béton sans et avec
obstacles. Ainsi, l’essai de l’étalement au cône d’Abrams doit être effectué deux fois, la
seconde fois en utilisant l’anneau d’armatures. La différence entre les diamètres moyens des
deux essais met en évidence la perte de remplissage due à la présence d’armatures. Pour un
béton autoplaçant cette différence doit être inférieure à 5 cm [EFN02]. Cet essai est
essentiellement utilisé dans le cas des bétons autoplaçants fibrés.
2.2.3. Essai de l’écoulement à l’entonnoir (V-funnel)
Cet essai permet une évaluation qualitative du béton autoplaçant [RIL01] : il caractérise la
capacité de passage du béton à travers un orifice. L’entonnoir existe en dimensions
différentes, et il est destiné à imposer un écoulement du même type que celui imposé entre
deux armatures parallèles. Le plus souvent, la partie inférieure de l’entonnoir est rectangulaire
de dimensions 7,5 cm x 6,5 cm. Elle est équipée d’une trappe (figure 1.4).
Joumana
jusqu’à 7 secondes
Joumana
GRU03][NIE03].
Joumana
est une estimation subjective.
Joumana
peut atteindre 12 secondes,
Joumana
pour des
Joumana
bétons
Joumana
autoplaçants avec une faible vitesse de déformation [UTS03][BUI02-b].
Joumana
Essai J-Ring
Joumana
Essai de l’écoulement à l’entonnoir (V-funnel)
Joumana
d’observer l’étalement du béton à travers les armatures.
Joumana
d’évaluer la différence entre le comportement du béton sans et avec obstacles.
Joumana
permet
Joumana
met en évidence la perte de remplissage due à la présence d’armatures.
Joumana
différence entre les diamètres moyens des
Joumana
deux essais
Joumana
caractérise la
Joumana
capacité de passage du béton à travers un orifice.
Joumana
destiné à imposer un écoulement du même type que celui imposé entre deux armatures parallèles.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 17
50 cm
42.5
cm
15 c
m
1
0.5
7.5 cm
Figure 1.4 : Schématisation de l’essai de l’entonnoir (V-funnel)
L’essai consiste à observer l’écoulement du béton à travers l’entonnoir et à mesurer le temps
d’écoulement entre le moment où la trappe est libre et le moment où on aperçoit le jour par
tonnoir est longue [RIL01].
entonnoir doit être généralement inférieur à
12 secondes [EFN02]. Quelques recommandations visent un temps compris entre 5 secondes
taux de remplissage et le temps d’écoulement du béton.
L’appareillage représenté par la figure 1.5 consiste à laisser passer le béton du compartiment
vertical au compartimen s. Des appareillages de
l’orifice. Le béton autoplaçant doit s’écouler avec une vitesse constante ; un simple
changement de vitesse de l’écoulement est un signe de blocage, donc de ségrégation dans le
béton. Cet essai permet aussi d’évaluer la viscosité du béton lors de l’écoulement : pour des
bétons de même étalement au cône d’Abrams par exemple, la viscosité est d’autant plus
élevée que la durée de l’écoulement à l’en
Le temps d’écoulement du béton autoplaçant à l’
et 12 secondes pour obtenir un béton de viscosité suffisante [EFN02][ARB03].
Un essai similaire à celui de l’entonnoir (mais de forme cylindrique) a été développé par
Bartos [BART93], et appelé Orimet. Un béton autoplaçant doit avoir un temps d’écoulement
inférieur à 5 secondes [EFN02]. Ce dispositif peut être associé à l’essai J-Ring : le béton
occupant le dispositif Orimet est directement déversé sur une plaque métallique au centre de
l’anneau d’armatures [EFN02][SON03].
2.2.4. Essai de l’écoulement à la boite en L
Cet essai permet de tester l’écoulement du béton à travers des armatures (capacité de
passage), de mesurer le
t horizontal à travers l’espace entre armature
différentes dimensions existent sur le marché, ainsi que des armatures de différents tailles et
Joumana
Essai de l’écoulement à la boite en L
Joumana
mesurer le temps
Joumana
d’écoulement entre le moment où la trappe est libre et le moment où on aperçoit le jour par l’orifice.
Joumana
béton autoplaçant doit s’écouler avec une vitesse constante
Joumana
changement de vitesse de l’écoulement est un signe de blocage,
Joumana
simple
Joumana
donc de ségrégation dans le
Joumana
béton.
Joumana
permet aussi d’évaluer la viscosité du béton lors de l’écoulement
Joumana
tonnoir est longue [RIL01]. pour des bétons de même étalement au cône d’Abrams par exemple, la viscosité est d’autant plus élevée que la durée de l’écoulement à l’en
Joumana
généralement inférieur à
Joumana
12 secondes
Joumana
Bartos [BART93], et appelé Orimet.
Joumana
essai similaire à celui de l’entonnoir (mais de forme cylindrique) a été développé par
Joumana
temps compris entre 5 secondes et 12 secondes pour obtenir un béton de viscosité suffisante [EFN02][ARB03].
Joumana
Quelques recommandations
Joumana
visent un
Joumana
tester l’écoulement du béton à travers des armatures
Joumana
capacité de
Joumana
passage),
Joumana
taux de remplissage mesurer le
Joumana
temps d’écoulement du béton.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 18
espacements (la figure 1.5 représente une boite en L de 60 cm de hauteur totale, de 70 cm de
longueur et de 20 cm de largeur).
Un béton autoplaçant possède un taux de remplissage H2/H1 supérieur ou égal à 0,8 [AFG00].
Un blocage quelconque du béton durant le passage à travers les armatures traduit le
phénomène de ségrégation.
60 c
m
15 c
m
H2
H1
Ferraillage 3 14Espace libre, 39 mm entre les barres
0 - 40 cm
Figure 1.5 : Schématisation de la boite en L
La vitesse de l’écoulement peut être évaluée en mesurant le temps de passage du béton à la
ligne des 20 cm et à celle des 40 cm. Les temps de passage sont respectivement notés T20 et
T40. Certains auteurs [ARB03] recommandent des valeurs inférieures à 1,5 secondes pour T20
et inférieures à 3,5 secondes pour T40 afin de rester dans un domaine autoplaçant.
2.2.5. Essai de l’écoulement au tube en U
De principe identique à l’essai de l’écoulement à la boite en L, l’essai du tube en U permet de
tester la capacité de passage du béton à travers des armatures, et le taux de remplissage du
béton [HAY93]. Le dispositif d’essai (figure 1.6) est composé de deux compartiments R1 et
R2, séparés par une grille d’armatures et une trappe coulissante. Différentes dimensions et
espacements existent pour les armatures entre les deux compartiments (variation selon les
types de chantier, et l
on continue, on ouvre la trappe laissant passer le
béton à travers la grille d’armatures, jusqu’à l’arrêt de l’écoulement (équilibre atteint). La
supérieure ou égale à 30 cm [HAY93][RIL01].
es spécifications des différents pays).
Le béton est versé dans la partie R1 de faç
hauteur de remplissage atteinte correspond à la facilité du béton à se mettre en place dans un
milieu confiné. Pour un béton autoplaçant, la hauteur de remplissage est généralement
Joumana
Essai de l’écoulement
Joumana
au tube en U
Joumana
H2/H1 supérieur ou égal
Joumana
0,8
Joumana
à
Joumana
possède un taux de remplissage
Joumana
vitesse de l’écoulement peut être évaluée en mesurant le temps de passage ligne des 20 cm et à celle des 40 cm.
Joumana
T20
Joumana
T40.
Joumana
1,5 secondes
Joumana
inférieures
Joumana
pour T20
Joumana
à
Joumana
inférieures à 3,5 secondes pour T40
Joumana
tester la capacité de passage du béton à travers des armatures, et le taux de remplissage du béton [HAY93].
Joumana
hauteur de remplissage atteinte correspond à la facilité du béton à se mettre en
Joumana
place dans un
Joumana
La
Joumana
milieu confiné.
Joumana
hauteur
Joumana
de remplissage est généralement
Joumana
supérieure ou égale à 30 cm
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 19
Figure 1.6 : Schématisation de l’essai du tube en U
2.2.6. Essai de l’écoulement au caisson
Cet essai simule le comportement d’un béton dans un milieu fortement ferraillé, et consiste à
évaluer le taux de remplissage dans ce milieu (figure 1.7). Il est généralement destiné au test
des bétons très fluides, ne contenant pas de gravier de taille supérieure à 25 mm. Son avantage
principal réside en la visualisation du comportement autoplaçant du béton.
h1h2
30 c
m
15 cm 7 x 5 = 35 cm
étonB
Ø16
Figure 1.7 : Schématisation de l’essai du caisson
Ce test consiste à verser le béton dans la partie gauche du caisson jusqu’à atteindre la hauteur
h1 des armatures supérieures (figure 1.7). Une observation visuelle est effectuée afin de juger
Joumana
Essai de l’écoulement au caisson
Joumana
essai simule le comportement d’un béton dans un milieu fortement ferraillé,
Joumana
consiste à
Joumana
évaluer le taux de remplissage dans ce milieu
Joumana
destiné au test
Joumana
bétons très fluides,
Joumana
des
Joumana
ne contenant pas de gravier de taille supérieure à 25 mm.
Joumana
visualisation du comportement autoplaçant du béton.
Joumana
juger
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 20
qualitativement de la capacité de passage et de remplissage, et de noter la présence d’un
certain blocage. Une caractérisation quantitative du taux de remplissage R(%) est possible par
la relation suivante [RIL01] :
1002
(%)1
21 ⋅⋅+
=hhhR (1.1)
où h1 et h2 sont les hauteurs mesurées du béton (après l’arrêt de l’écoulement) de part et
d’autre du caisson (figure 1.7). Pour un béton autoplaçant, le taux de remplissage au caisson
doit être supérieur à 60% [SED95].
2.2.7. Essai de la passoire
Cet essai consiste à observer le comportement du béton pendant son écoulement à travers une
grille d’armatures espacées de 5 cm. Il permet de détecter les signes de blocage afin d’évaluer
la capacité de passage du béton.
Le test (figure 1.8) est réalisé avec un volume de 30 litres de béton, versé dans le récipient
équipé dans sa partie inférieure de la grille d’armature. Le récipient est soulevé verticalement
laissant le béton s’écouler à travers la grille. Une pression est exercée sur la surface supérieure
de l’échantillon de béton afin de tester son comportement à différentes conditions
d’écoulement (pre ) [RIL01]. ssion supérieure à celle de l’écoulement à l’essai au caisson
0,1 kg/cm²
Béton (30 litres)
Grille d’armaturesespacées de 5 cm
Figure 1.8 : Schématisation de l’essai de passoire
Cet essai est actuellement rarement utilisé puisqu’il nécessite un grand volume de béton, et un
temps de mise en œuvre important.
Joumana
Essai de la passoire
Joumana
qualitativement de la capacité de passage et de remplissage, et de noter la présence d’un
Joumana
certain blocage.
Joumana
Pour un
Joumana
béton autoplaçant, le taux de remplissage au caisson doit être supérieur à 60% [SED95].
Joumana
observer le comportement du béton pendant son écoulement à travers une grille d’armatures espacées de 5 cm.
Joumana
Il permet de détecter les signes de blocage afin d’évaluer la capacité de passage du béton.
Joumana
Une pression est exercée sur la surface supérieure de l’échantillon de béton afin de tester son comportement à différentes conditions d’écoulement (pre ) [RIL01].
Joumana
[RIL01]. ssion supérieure à celle de l’écoulement à l’essai au caisson
Joumana
rarement utilisé
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 21
2.2.8. Essai de la stabilité au tamis (GTM)
(4,8 kg ± 0,2 kg) est versé à travers le tamis de 5 mm
L’essai de stabilité au tamis est développé par la société « GTM construction ». Il permet de
qualifier le BAP vis-à-vis du risque de ségrégation. Cet essai nécessite un seau de 10 litres
avec un couvercle, un tamis de maille 5 mm, de diamètre 315 mm et un fond (figure 1.9). Le
test consiste à remplir le seau de 10 litres et à laisser le béton couvert et au repos pendant 15
minutes. Un échantillon de ce béton
posé sur le fond, et laissé deux minutes, avant de peser la masse de la laitance traversant le
tamis.
Béton
Tamis 5 mm
Laitance
Fond de tamis
Figure 1.9 : Schématisation de l’essai de stabilité (GTM)
Le pourcentage P de laitance traversant le tamis par rapport à la masse de l’échantillon est
donc calculé [AFG00] :
100'
⋅=néchantilloldeMasse
ncelaitadeMasseP (1.2)
La mesure de pourcentage de laitance conduit à classer les formulations de béton autoplaçant
de la façon suivante (tableau 1.2) [AFG00].
Conditions Critères de stabilité Remarques %15%0 ≤≤ P Stabilité satisfaisante Béton homogène et stable %30%15 ≤≤ P Stabilité critique Vérifier les autres critères d’ouvrabilité
%30≥P Stabilité très mauvaise Ségrégation systématique, béton inutilisable
Tableau 1.2 : Critères de stabilité (GTM)
Joumana
Essai de la stabilité au tamis (GTM)
Joumana
qualifier le BAP vis-à-vis du risque de ségrégation.
Joumana
peser la masse de la laitance traversant le
Joumana
tamis.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 22
2.2.9. Essai de la colonne
Cet essai, développé par Otsuki et al [OTS96], permet d’évaluer la résistance à la ségrégation
d’un béton. Il consiste à placer le béton dans une colonne cylindrique (figure 1.10) ou à base
carrée (10 cm de côté) et à le laisser jusqu’au début de prise. Des fractions des parties
supérieure, centrale et inférieure sont lavées au travers d’un tamis de 5 mm et les granulats de
taille supérieure à 5 mm sont pesés.
La ségrégation est négligeable si la distribution des granulats dans les différentes parties est
uniforme. La distribution est considérée comme uniforme si la différence entre les teneurs en
graviers des parties supérieure et inférieure ne dépasse pas 10% [OTS96][VAN98]. D’autres
auteurs considèrent une valeur de 5% pour le béton autoplaçant [AMB99].
Figure 1.10 : essai de la colonne
2.2.10. Essai à la colonne LMDC
C’est une méthode développée au LMDC [REG05] pour quantifier la ségrégation statique
des tiroirs.
Le béton est versé dans la colonne dès la fin du malaxage. A l’échéance de 30 minutes après
la mise en place dans la colon nt poussées pour séparer les 7
d’un béton autoplaçant à l’état frais. Le dispositif d’essai est constitué de 7 tiroirs en Bakélite,
de section 15cm * 15 cm, empilables les uns sur les autres pour former une colonne de 70 cm
de hauteur. L’individualisation de chacun de ces tiroirs est possible par l’intermédiaire de
tôles coulissantes (figure 1.11). Il est alors possible de faire une analyse granulométrique du
béton contenu dans chacun
ne, les tôles (figure 1.11) so
Joumana
Essai de la colonne
Joumana
Essai à la colonne LMDC
Joumana
Otsuki et al [OTS96],
Joumana
d’évaluer la résistance à la ségrégation
Joumana
d’un béton.
Joumana
dans une colonne cylindrique
Joumana
le laisser jusqu’au début de prise.
Joumana
à
Joumana
La ségrégation est négligeable si la distribution des granulats dans les différentes parties est uniforme.
Joumana
distribution est considérée comme uniforme si la différence entre les teneurs en graviers des parties supérieure et inférieure ne dépasse pas 10% [OTS96][VAN98].
Joumana
5% pour le béton autoplaçant [AMB99].
Joumana
auteurs considèrent une valeur de
Joumana
D’autres
Joumana
quantifier la ségrégation statique d’un béton autoplaçant à l’état frais.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 23
parties depuis le tiroir supérieur jusqu’au tiroir inférieur. Après lavage (sur un tamis de 2,5
mm), une analyse granulométrique (à sec) est effectuée sur le squelette granulaire récupéré
dans chaque tiroir.
•7 tiroirs empilés, formant une colonne de 70 cm de hauteur.•La colonne peut donc être remplie de 15,75 litres de béton.• Les tiroirs sont numérotés depuis 7 (tiroir supérieur)jusqu’à 1 (tiroir inférieur).
Des t s métalliques cou ntesassurent la séparation des irs
Figure 1.11 : dispositif de l’essai à la colonne LMDC
Cet essa ien corrélé avec l’essai de stabilité au tam s (GTM) [REG05], et le
complè parties
dre de béton de 16 cm de diamètre et de 32 cm de hauteur. La
dans
ôle lissa tiro
i est très b i
te. En effet il permet d’observer si la différence de granulométrie entre les
supérieure et inférieure est graduelle ou brusque. De plus, on peut observer si l’éventuelle
ségrégation se manifeste à partir d’une tranche granulaire donnée.
2.2.11. Tests de pénétration
L’essai de pénétration à la bille (Figure 1.12) est un essai qui a pour objectif de tester la
tendance à la ségrégation [SED99-a]. Il consiste à mesurer l’enfoncement d’une bille de 20
mm de diamètre, dans un cylin
bille, qui simule un granulat de la même taille, est reliée par une tige rigide à un balancier et
sa masse volumique peut être ajustée par un contre poids.
Pour différents poids apparents, l’essai consiste à laisser la bille s’enfoncer de sa hauteur
le béton. On mesure le temps nécessaire pour que la bille s’enfonce dans le béton. Plus ce
temps est faible, plus la tendance à la ségrégation du béton est élevée. Pour un béton
Joumana
Tests de pénétration
Joumana
ien corrélé avec l’essai de stabilité au tam s (GTM) b i
Joumana
très
Joumana
complè
Joumana
et le
Joumana
te.
Joumana
parties permet d’observer si la différence de granulométrie entre les supérieure et inférieure est graduelle ou brusque.
Joumana
on peut observer si l’éventuelle ségrégation se manifeste à partir d’une tranche granulaire donnée.
Joumana
pénétration à la bille
Joumana
objectif de tester la tendance à la ségrégation [SED99-a].
Joumana
On mesure le temps nécessaire pour que la bille s’enfonce dans le béton.
Joumana
Plus ce
Joumana
temps est faible, plus la tendance à la ségrégation du béton est élevée.
Joumana
dans Pour différents poids apparents, l’essai consiste à laisser la bille s’enfoncer de sa hauteur le béton.
Joumana
Pour un béton
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 24
autoplaçant, la résistance à la ségrégation est jugée satisfaisante si la bille s’enfonce d’une
hauteur inférieure à 6 cm.
Figure 1.12 : essai à la bille
D’autres auteurs ont développé et utilisé un test identique qui consiste à faire le même essai
avec un cylindre [VAN98][BUI02-a]. Le béton a une résistance à la ségrégation suffisante si
nférieure à 7 cm.
i Capacité de remplissage
Vitesse de déformation
Résistance à la Ségrégation
Capacité de passage
la hauteur de pénétration du cylindre est i
2.2.12. Bilan
Nous avons cité les principaux tests empiriques qui sont destinés à caractériser l’ouvrabilité
d’un béton autoplaçant. Nous représentons dans le tableau 1.3 l’ensemble des tests avec les
propriétés d’écoulement qu’ils peuvent mettre en évidence.
Type d’essa
Cône d’Abrams X X X J-Ring X X
Entonnoir X X Boite en L X X X Tube en U X X
Caisson X X Passoire X
Stabilité au tamis X Colonne X
Colonne LMDC X Pénétration X
Tableau 1.3 : Caractérisation des bétons autoplaçants par les tests empiriques
Joumana
Bilan
Joumana
autoplaçant, la résistance à la ségrégation est jugée satisfaisante si la bille s’enfonce d’une
Joumana
hauteur inférieure à 6 cm.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 25
To n
çant.
st mpirique qualifie comme identiques, deux
rhéologique quantitative est nécessaire pour décrire l’écoulement du béton [TAT83].
3. Rhéologie des bétons autoplaçants
écoulement
par exemple du gravier (phase solide) et du mortier (phase liquide) ou à une échelle
(phase liquide). Ainsi, le
La rhéologie permet de caractériser le comportement du béton au cours de la mise en œuvre
en le considérant comme un milieu continu. Elle permet donc d’analyser l’écoulement en
at
les courbes d’écoulement qui relient
us les essais présentés ci-dessus sont des tests empiriques qui visent à caractériser le béto
vis à vis de la fluidité, l’absence de blocage dans les milieux ferraillés et les risques de
ségrégation. On peut considérer que le test le plus populaire est le test de l’étalement au cône
d’Abrams, parce que d’une part il est facile à transporter, à réaliser et à nettoyer et d’autre part
parce qu’il permet de donner des informations sur la fluidité, la viscosité et le risque de
ségrégation du béton. Combiné avec le test J-Ring il peut servir à évaluer aussi la capacité de
passage du béton autopla
Cependant, la caractérisation de tous les aspects d’ouvrabilité d’un béton autoplaçant
nécessite au moins deux ou trois essais. En effet, aucun essai ne peut caractériser toutes les
propriétés d’ouvrabilité réunies d’un béton. Cela a été confirmé au LMDC [MOU04-a].
Enfin, il e possible qu’un test d’ouvrabilité e
bétons qui ont des comportements différents dans d’autres circonstances. En effet, deux
bétons qui ont le même étalement par exemple, ne sont pas forcément de la même consistance
et peuvent avoir deux valeurs distinctes de viscosité. Par conséquent, une caractérisation
La connaissance du comportement rhéologique est essentielle pour caractériser l’
d’un béton. Le béton peut être décrit comme une suspension de particules de différentes
tailles, constituée d’une phase solide et d’une phase liquide. La définition des phases solides
et liquides peut varier selon l’approche ou l’échelle de taille des particules. On peut considérer
différente, du granulat et de la pâte. Lorsqu’on étudie la rhéologie de la pâte, on peut
considérer l’ensemble des fines (phase solide) baignant dans l’eau
comportement rhéologique peut être étudié à différents niveaux : le béton, le mortier, la pâte
et le fluide (mélange de l’eau et des adjuvants qui contiennent une fraction de molécules).
3.1. Comportement rhéologique
étudiant les contraintes et les déformations subies par le matériau. L’exploit ion de ces
paramètres conduit à l’élaboration des rhéogrammes ou
Joumana
sont des tests empiriques
Joumana
n qui visent à caractériser le béto vis à vis de la fluidité, l’absence de blocage dans les milieux ferraillés et les risques de ségrégation.
Joumana
çant. le plus populaire est le test de l’étalement au cône d’Abrams, parce que d’une part il est facile à transporter, à réaliser et à nettoyer et d’autre part parce qu’il permet de donner des informations sur la fluidité, la viscosité et le risque de ségrégation du béton. Combiné avec le test J-Ring il peut servir à évaluer aussi la capacité de passage du béton autopla
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 26
généralement la contrainte de cisaillement τ à la vitesse de cisaillement ou le gradient de
vitesse, notée γ& .
γ&
Fluide Newtonien0τ
τ
Modèle d
e Bing
ham
γ&
τ Rhéofluidifiant
RhéofluidifiantR
Rhéoépaissis
héoépaissis
sant
sant
Courbes d’écoulement linéaires Courbes d’écoulement non linéaires
Figure 1.13 : Comportements Newtoniens et non Newtoniens, fluidifiants et épaississants
En rhéologie, on distingue les écoulements obéissant à des lois de comportements linéaires de
ceux obéissant à des lois de comportements non linéaires (figure 1.13). Les courbes
d’écoulement non linéaires sont divisées en deux catégories : rhéofluidifiants (tendance à
s’infléchir parallèlement à l’axe du gradient de vitesse) et rhéoépaississants (tendance à
s’infléchir parallèlement à l’axe de la contrainte de cisaillement) comme le montre par
exemple la figure 1.13.
Les corps Newtoniens (exclusivement visqueux) s’écoulent dès qu’une contrainte de
cisaillement est appliquée [LEG71], ils ne possèdent donc pas de seuil de cisaillement. Les
corps Non Newtoniens (viscoplastiques ou fluides de Bingham) nécessitent une contrainte
minimale non nulle pour s’écouler [LEG71]. 0τ
Ils existent plusieurs lois pour décrire le comportement rhéologique des différents matériaux
(des résumés sont donnés par Ferraris [FER99] et Banfill [BAN03]). Les bétons frais (BO,
BHP) répondent le plus souvent au modèle de Bingham [HU96][LAR00][RIL01] :
γµττ &⋅+= 0 (1.3)
où τ est la contrainte de cisaillement (Pa), 0τ le seuil de cisaillement (Pa), γ& le gradient de
vitesse (s-1), et µ une constante appelée la viscosité plastique de Bingham (Pa.s).
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 27
Grâce à l’utilisation des superplastifiants dans les bétons autoplaçants, le seuil de contrainte
minimale pour obtenir un écoulement est largement diminué pour permettre un écoulement
sous le seul effet de gravité. Plusieurs auteurs [NIE03][GRU04][GEI02] considèrent que le
BAP possède un comportement Binghamien avec un seuil de cisaillement 0τ de faible valeur.
En effet, l’objectif est de tendre vers un comportement Newtonien.
Cependant, des auteurs comme [FER98][LAR98][BAN03][MOU03] montrent ou rappo
que les bétons autoplaçants, et les pâtes contenant du superplastifiant [CYR00] ont
(1.4)
où
rtent
généralement un comportement non linéaire rhéoépaississant, et suivent une loi de
comportement de type Herschel-Bulkley :
nkγττ &+= 0
τ est la contrainte de cisaillement (Pa), γ& le gradient de vitesse (s-1). 0τ (seuil de
cisaillement), k et n sont des constantes caractéristiques.
On remarque que le modèle de Bingham est une approche simplifiée du modèle Herschel-
Bulkley (cas particulier pour n = 1).
3.2. Grandeurs rhéologiques
Les grandeurs rhéologiques principales qui caractérisent le comportement rhéologique d’un
béton frais sont le seuil de cisaillement et la viscosité.
3.2.1. Seuil de Cis
de
ifférentes.
t
structurée. Le seuil de cisaillement statique peut être déterminé en imposant une contrainte
croissante jusqu’à la valeur provoquant l’écoulement de la suspension.
Par contre, le seuil de cisaillement dynamique (
aillement
Le seuil de cisaillement est la contrainte cisaillement minimum à atteindre pour que le
matériau s’écoule. Pour une contrainte de cisaillement plus faible, le matériau se comporte
comme un solide et ne s’écoule pas. Il existe différentes méthodes pour mesurer le seuil de
cisaillement [LID96], qui mènent parfois à des notions physiquement d
Le seuil statique correspond à la contrainte à fournir afin d’obtenir le premier signe
d’écoulement. En effet, la méthode de mesure est appliquée à une suspension vierge de toute
sollicitation (à part le malaxage dans le cas de mélange), donc une suspension initialemen
0τ dans l’équation du modèle de Herschel-
Bulkley, équation 1.4) correspond à une valeur théorique qui découle de l’extrapolation de la
Joumana
Seuil de
Joumana
Cis
Joumana
aillement
Joumana
Grâce à l’utilisation des superplastifiants dans les bétons autoplaçants, le seuil de contrainte minimale pour obtenir un écoulement est largement diminué pour permettre un écoulement sous le seul effet de gravité.
Joumana
Plusieurs auteurs [NIE03][GRU04][GEI02] considèrent que le BAP possède un comportement Binghamien avec un seuil de cisaillement 0 τ de faible valeur. En effet, l’objectif est de tendre vers un comportement Newtonien.
Joumana
Grâce à l’utilisation des superplastifiants dans les bétons autoplaçants, le seuil de contrainte minimale pour obtenir un écoulement est largement diminué pour permettre un écoulement sous le seul effet de gravité. Plusieurs auteurs [NIE03][GRU04][GEI02] considèrent que le BAP possède un comportement Binghamien avec un seuil de cisaillement 0 τ de faible valeur. En effet, l’objectif est de tendre vers un comportement Newtonien.
Joumana
Cependant, des auteurs comme [FER98][LAR98][BAN03][MOU03] montrent ou rappo
Joumana
rtent
Joumana
que les bétons autoplaçants, et les pâtes contenant du superplastifiant [CYR00] ont
Joumana
généralement un comportement non linéaire rhéoépaississant,
Joumana
Herschel-Bulkley
Joumana
suivent une loi de
Joumana
comportement
Joumana
de type
Joumana
de Le seuil de cisaillement est la contrainte cisaillement minimum à atteindre pour que le matériau s’écoule.
Joumana
Pour une contrainte de cisaillement plus faible, le matériau se comporte comme un solide et ne s’écoule pas.
Joumana
Le seuil statique correspond à la contrainte à fournir afin d’obtenir le premier signe d’écoulement.
Joumana
de cisaillement dynamique
Joumana
seuil
Joumana
le
Joumana
correspond à une valeur théorique qui découle de l’extrapolation de la
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 28
courbe d’écoulement à un gradient de vitesse de cisaillement nul. Il s’agit alors d’une valeur
obtenue après la déstructuration du corps. La méthode de mesure consiste à déstructurer
quent, la valeur du seuil de cisaillement statique est logiquement supérieure à celle
du seuil de cisaillement dynamique, en raison de l’état de déstructuration de la matière
ce à l’écoulement de la matière. La viscosité
complètement la suspension testée en appliquant un gradient de vitesse suffisamment élevé,
d’établir ensuite la courbe d’écoulement en faisant varier le gradient de vitesse, et de déduire
la valeur de la contrainte à une valeur nulle du gradient de vitesse, à partir de l’équation du
modèle.
Par consé
cisaillée.
3.2.2. Viscosité
La viscosité est définie comme la résistan µ est
définie généralement comme étant le rapport entre la contrainte de cisaillement τ et le
gradient de vitesse de cisaillement γ& correspondant :
γτµ = &
(1.5)
La nte dans le ca ment nul),
puisqu’elle correspond dans ce cas à l
1.14). Elle est synonyme de rs
[TAT83].
viscosité est consta s d’un fluide Newtonien (seuil de cisaille
a pente de la courbe d’écoulement rectiligne (figure
apparente, souvent utilisée par la viscosité certains auteu
τHerschel-Bulkley
nkγττ &+= 0(n > 1)
γ&
τ
Fluide Newtonien
Fluide de Bin
0τ
ghamγµττ &B+= 0
1
Bµ
µ
γµτ &⋅=
1 γ&0
Figure 1.14 : Différents types de modèles d’écoulement
Il existe aussi la viscosité plastique pla
τ
µ qui est définie comme la pente de la courbe
d’écoulement à chaque point. Ainsi, la viscosité plastique d’un fluide de Bingham, appelée
Joumana
Viscosité
Joumana
courbe d’écoulement à un gradient de vitesse de cisaillement nul.
Joumana
s’agit alors d’une valeur
Joumana
obtenue après la déstructuration du corps.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 29
viscosité plastique de Bingham par certains auteurs [TAT83] et qu’on note Bµ , est une
constante puisque la courbe d’écoulement est rectiligne (figure 1.14).
Pour un comportement rhéologique de type Herschel-Bulkley, la viscosité plastique (pente de
ourbe d’écoulement) est la dérivée par rapport au gradient de vitesse de l’équation de la
trainte de cisaillement (équation 1.4). E
la c
con lle est donc variable à chaque point de la courbe :
Les caractérisés par les mêm s grandeurs
ifférents. En effet, les BAP se distinguent selon certains auteurs
u mo
ais aussi la viscosité du béton. Pour
rétablir un niveau de viscosité convenable, il est possible d’employer des agents de viscosité
et des additions minérales. Celles-ci peuvent avoir, comme le filler calcaire, un effet
fluidifiant en écoulem et de diminuer
1−⋅= npla kn γµ & (1.6)
3.2.3. Bilan
bétons autoplaçants et les bétons ordinaires sont e
rhéologiques que sont le seuil de cisaillement et la viscosité, et possèdent pourtant des
comportements rhéologiques d
[FER98][LAR98][BAN03][MOU03], des bétons ordinaires répondant au modèle de
Bingham, par un comportement rhéologique épaississant répondant a dèle de Herschel-
Bulkley.
Le superplastifiant abaisse le seuil de cisaillement m
ent et un effet densifiant après mise en place ce qui perm
la tendance à la ségrégation [ALC04].
Pour résumer le tableau 1.4 représente les propriétés rhéologiques d’un béton autoplaçant,
ainsi que les plages de valeurs des grandeurs rhéologiques qui diffèrent d’un auteur à l’autre
par rapport à l’appareillage utilisé (rhéomètre BML ou BTHREOM).
Rhéoépaississant de type Herschel-Bulkley : nkγττ &+= 0 (n > 1) selon [FER98][LAR98][BAN03][MOU03] Principaux types de
comportements rhéologiques Linéaire de type Bingham : γµττ &⋅+= 0
selon [GEI02][NIE03][GRU04] Seuil de cisaillement faible équivalent à une fluidité élevée :
0 – 60 Pa (BML) [NIE03] 200 – 500 Pa (BTHREOM) [LAR00]
Grandeurs rhéologiqet domaine autoplaçant
ues Viscosité assez élevée, suffisante pour augmenter la résistance à la ségrégation du mélange. Intervalle suggéré par la loi de Bingham :
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 30
3.3. Caractérisation : rhéomètres
Nous avons détaillé les essais principaux visant à caractériser l’ouvrabilité du béton
autoplaçant. Nous remarquons toutefois que ces essais restent de nature empirique, ne
permettant pas d’avoir une caractérisation complète de l’écoulement. C’est pour cette raison
que le développement des rhéomètres à béton a accompagné celui du béton autoplaçant. Le
rhéomètre permet généralement une caractérisation rhéologique de la substance (liquide, pâte,
mortier, béton). On distingue en général trois classes principales de rhéomètres :
Les rhéomètres à régime permanent (ou stationnaire) qui sont les plus utilisés. Ils
fonctionnent essentiellement en viscosimètres pour déterminer les viscosités et les
iées. rhéogrammes des substances étud
Les rhéomètres à régime transitoire qui permettent l’étude des propriétés viscoélastiques
des matériaux.
Les rhéomètres dynamiques ou oscillants (régime sinusoïdal) qui décrivent les propriétés
rhéologiques des substances en mode périodique.
La description de ces appareils est donnée par la plupart des ouvrages traitant de la rhéologie
(voir par exemple [COU00]).
Les rhéomètres permettent de mesurer directement le seuil de cisaillement statique de la
suspension. Ils permettent aussi d’établir les courbes d’écoulements ),( γτ & des matériaux ou
des bétons testés. A partir de ces courbes d’écoulement on peut calculer les différents types de
viscosité et déduire le type de comportement du béton.
Figure 1.15 : Géométries de cisaillement de type Couette
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 31
Le rhéomètre à régime permanent de type couette est le plus utilisé dans les études concernant
les pâtes, mortiers ou bétons. Ce dispositif consiste à cisailler une substance entre deux
surfaces solides, l’une immobile et l’autre mobile. Les systèmes de mesure peuvent exister en
trent que les grandeurs
rhéologiques mesurées (seuil de cisaillement, viscosité) varient d’une géométrie à l’autre. Les
auteurs reportent la cause de cette variation à la surface de friction entre la pâte cisaillée et les
parois des systèmes de mesure, qui varie selon les différentes géométries utilisées. Ils ne
négligent cependant pas l’effet du phénomène de glissement de pâte cisaillée. Les auteurs
concluent qu’un effort de normalisation des différents tests et appareillages de mesure est
nécessaire, afin de pouvoir comparer les résultats obtenus par les différents laboratoires.
4. Recherch
t d’ouvrabilité doivent se faire au même
instant, puisque les propriétés des corps cimentaires dépendent du temps écoulé depuis le
malaxage. En l’absence d’un test normalisé permettant une caractérisation globale, ceci
différentes géométries : cylindres coaxiaux, plan-plan et cône-plan (figure 1.15).
Le rhéomètre de type couette peut fonctionner en contrainte ou vitesse imposée. Ceci dépend
du paramètre qu’on souhaite contrôler pour mesurer la grandeur souhaitée. En contrainte
imposée par exemple, et comme son nom l’indique, on contrôle le couple exercé ou la
contrainte de cisaillement du matériau testé. La vitesse de cisaillement (gradient de vitesse)
est directement mesurée, et dépend du comportement du matériau. En vitesse imposée, c’est
la vitesse de rotation du mobile qui est contrôlée, et le couple résistant au cisaillement est
directement mesuré.
Par ailleurs, les grandeurs rhéologiques mesurées des matériaux cimentaires dépendent de la
géométrie utilisée. En effet, Nehdi et al [NEH04] ont mené des tests rhéologiques sur des
pâtes de ciment constituées de différents matériaux, et de formulations variées. Les tests sont
réalisés avec un rhéomètre calibré, en utilisant plusieurs géométries de cisaillement (cylindres
coaxiaux, géométrie plan-plan), différentes formes de mobiles (mobile cylindrique ou mobile
à ailettes, etc.), et différentes valeurs d’entrefer. Les résultats mon
e de corrélations
Comme nous l’avons remarqué aux deux paragraphes précédents (ouvrabilité et rhéologie des
BAP), plusieurs tests d’ouvrabilité et rhéologiques sont nécessaires pour caractériser les
différents aspects et propriétés des bétons autoplaçants. En effet, une caractérisation globale
d’un béton autoplaçant aux deux niveaux rhéologique et d’ouvrabilité est une opération
lourde, et nécessite un certain nombre de matériel et d’opérateurs. Si on vise une
caractérisation rigoureuse, les essais rhéologiques e
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 32
nécessite donc la réalisation d’essais parallèles (rhéologiques et d’ouvrabilité) effectués par
plusieurs opérateurs. C’est pour cette raison que plusieurs auteurs se sont intéressés à chercher
caractérisation d’un béton
ntre les grandeurs d’ouvrabilité, les études menées au
cepté les
essais de l’entonnoir et de la boîte en L qui sont porteurs des mêmes informations [MOU04-
’ouvrabilité sont complémentaires et décrivent des facettes
ts empiriques. Ces derniers sont souvent jugés comme
lsson et al [NIE03] qui ont utilisé des viscosimètres de type BML
m
des corrélations entre les différentes mesures rhéologiques et d’ouvrabilité, et parfois entre les
grandeurs rhéologiques ou les grandeurs d’ouvrabilité elles-mêmes. Une corrélation parfaite
entre deux grandeurs différentes par exemple, permet de faciliter la
autoplaçant en n’en mesurant qu’une seule, et d’en déduire la seconde. Par exemple, en
mesurant le temps d’écoulement d’un béton dans l’essai de l’entonnoir on peut caractériser sa
capacité de passage, mais on en déduit aussi l’état qualitatif de sa viscosité ; entre deux bétons
ayant le même étalement au cône d’Abrams, celui qui possède un temps d’écoulement plus
long à l’entonnoir est le plus visqueux.
En ce qui concerne les relations e
LMDC montrent l’absence ou la faiblesse des relations entre les différents essais d’ouvrabilité
testés (le cône d’Abrams, l’entonnoir, la boite en L, l’essai de stabilité GTM) ex
a]. Par conséquent, les essais d
différentes de l’autoplaçabilité (l’essai d’étalement qui est souvent le seul pratiqué sur site
n’est pas révélateur à lui seul d’un BAP).
Grâce au développement technologique et informatique, les rhéomètres deviennent des
appareils de plus en plus performants et faciles à utiliser. Les chercheurs visent
essentiellement une caractérisation rhéologique complète permettant une caractérisation
d’ouvrabilité sans avoir recours aux tes
dépendants de la compétence et de l’expérience de l’opérateur, les tests rhéologiques par
contre sont beaucoup moins dépendants de ces facteurs. Par conséquent, une corrélation entre
les grandeurs rhéologiques et les propriétés d’ouvrabilité est donc jugée très importante. Les
corrélations rhéologie-ouvrabilité les plus pertinentes sont celles reliant la viscosité (plastique
ou apparente) aux deux grandeurs d’ouvrabilité : T50 et TVf (respectivement : temps de
passage au diamètre de 50 cm de la galette d’étalement au cône d’Abrams, et temps
d’écoulement à l’entonnoir V-funnel). Ainsi, Emborg [EMB99], Grunewald et al [GRU03],
Utsi et al [UTS33], Nie
[WALL90], et Mouret et al [MOU04-a] dans le cadre des études effectuées au LMDC avec un
rhéomètre de type RheoCAD, confir ent ces relations (figure 1.16).
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 33
Viscosité plastique (Pa.s)
T 50 (s
)
Viscosité plastique (Pa.s)
T V-f
unne
l (s)
Figure 1.16 : Corrélations viscosité-T50 et viscosité-TVf [NIE03]
Une relation, plus grossière que la précédente, est mise en évidence entre la viscosité
(plastique ou ap d’écoulement mesuré à l relation
existe à co dans les
les mêmes auteurs.
5. Formulation des BAP
Réaliser un béton autoplaçant est une opération complexe qui nécessite de trouver une bonne
aux propriétés des BAP.
Il existe une très gra onde, et il est clair que les matériaux
utilisés ont des influences variées sur l’écoulement du béton. Ceci implique qu’il est
plaçant ; chaque chantier
5.1. Approche japonaise
(documents pour la plupart en japonais, ceux-ci sont rapportés par [RIL01]). En général, cette
parente) et le temps a boîte en L (T40) ; cette
ndition de ne considérer que les bétons en écoulement homogène
dispositifs d’essai (pas de blocage en écoulement) [NIE03][MOU04-a]. Par ailleurs, les
corrélations reliant le seuil de cisaillement à l’étalement et au taux de remplissage à la boite
en L ne sont pas évidentes selon
combinaison de matériaux compatibles, et le dosage convenable de chacun de ces constituants
afin d’obtenir une formulation répondant
nde variété de matériaux dans le m
impossible de réaliser une formulation universelle de béton auto
utilisant ses propres matériaux (matériaux locaux) doit mettre au point sa propre formulation.
La variété de matériaux peut conduire aussi à des comportements différents à tous les niveaux
(ouvrabilité, rhéologie, résistance).
De multiples approches se sont développées à travers le monde pour la formulation d’un
béton autoplaçant. Nous rapportons un exposé général sur les approches principales.
Considérée comme la méthode générale de formulation, l’approche japonaise a été
développée à l’Université de Tokyo par Okamura, Ozawa et al [OZA90][OKA93,94,95,98]
Joumana
relation, plus grossière que la précédente,
Joumana
mise en évidence entre la viscosité
Joumana
ap parente)
Joumana
plastique
Joumana
ou
Joumana
d’écoulement mesuré à l temps a boîte en L
Joumana
homogène
Joumana
chaque chantier utilisant ses propres matériaux (matériaux locaux) doit mettre au point sa propre formulation.
Joumana
Ceci implique qu’il est plaçant impossible de réaliser une formulation universelle de béton auto
Joumana
existe une très gra onde, et il est clair que les matériaux utilisés ont des influences variées sur l’écoulement du béton. nde variété de matériaux dans le m
Joumana
existe une très gra onde, et il est clair que les matériaux utilisés ont des influences variées sur l’écoulement du béton. Ceci implique qu’il est plaçant ; chaque chantier nde variété de matériaux dans le m impossible de réaliser une formulation universelle de béton auto utilisant ses propres matériaux (matériaux locaux) doit mettre au point sa propre formulation.
Joumana
Il
Joumana
La variété de matériaux peut conduire aussi à des comportements différents à tous les niveaux (ouvrabilité, rhéologie, résistance).
Joumana
Approche japonaise
Joumana
Considérée comme la méthode générale de formulation,
Joumana
l’Université de Tokyo par Okamura, Ozawa et al [OZA90][OKA93,94,95,98]
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 34
approche consiste d’abord à fixer le dosage de gravier dans le béton et celui du sable dans le
mortier, ensuite de procéder à l’optimisation de la pâte de ciment afin de donner au béton
e l’écoulement à
l’entonnoir d’autre part.
Ces deux essais sont réalisés avec des dispositifs d’essai dont les dimensions sont
résultant les meilleures performances.
Le volume du gravier est fixé à la hauteur de 50% du volume des solides contenus dans le
béton. Selon les auteurs, ce pourcentage permet d’éviter les risques de blocages, à condition
que le mortier du béton réponde correctement aux critères d’ouvrabilité testés. En effet, pour
assurer une bonne ouvrabilité, le volume du sable est fixé à 40% du volume total de mortier.
L’optimisation des dosages des constituants de la pâte de ciment est donc nécessaire pour
s’assurer que le mortier obtenu (en associant le volume du sable) satisfasse les critères
d’ouvrabilité de l’essai d’étalement au cône d’une part, et de l’essai d
proportionnelles (d’un coefficient 2≈ ) à ceux utilisés avec le béton (le cône d’Abrams, et
l’entonnoir). La figure 1.17 représente une schématisation de ces deux dispositifs.
d1
d2
d0
8 cm
a. Cône à mortier b. Entonnoir à mortier
Figure 1.17 : Dimensions du cône et de l’entonnoir à mortier [RIL01]
s utilisées sont relatives, elles sont exprimées par les
équations suivantes 1.7 et 1.8 :
L’étalement relatif :
Les grandeurs mesurées sont l’étalement de la galette de mortier et le temps d’écoulement à
travers l’entonnoir. Les grandeur
( )2
0
2021
dddd
m−⋅
=Γ (1.7)
Joumana
fixer le dosage de gravier dans le béton
Joumana
celui du sable dans le
Joumana
mortier,
Joumana
procéder à l’optimisation de la pâte de ciment afin de donner au béton résultant les meilleures performances.
Joumana
Le volume du gravier est fixé à la hauteur de 50% du volume des solides contenus dans le béton.
Joumana
pourcentage permet d’éviter les risques de blocages,
Joumana
que le mortier du béton réponde correctement aux critères d’ouvrabilité testés.
Joumana
à condition
Joumana
pour
Joumana
assurer une bonne ouvrabilité,
Joumana
le volume du sable est fixé à 40% du volume total de mortier.
Joumana
L’optimisation des dosages des constituants de la pâte de ciment est donc nécessaire pour s’assurer que le mortier obtenu (en associant le volume du sable) satisfasse les critères
Joumana
d’ouvrabilité
Joumana
de l’essai d’étalement au cône
Joumana
d’une part, et de l’essai
Joumana
e
Joumana
d
Joumana
l’écoulement à
Joumana
l’entonnoir d’autre part.
Joumana
L’étalement relatif : ( ) 2 0 2 0 2 1 d d d d m − ⋅ = Γ
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 35
Avec d1 et d2 les diamètres d’étalement dans deux directions perpendiculaires, et d0 le
diamètre inférieur du cône (figure 1.17).
tRm
10= La vitesse relative d’écoulement : (1.8)
où t est le temps d’écoulement à l’entonnoir, exprimé en secondes.
on obtenu est testé pour vérifier les propriétés
ensionné pour
rneaux) à augmenter le
dosage de sable dans le mortier et à réduire donc le volume de pâte, et particulièrement du
llant avec des matériaux locaux, d’autres auteurs (Pelova et al
de blocage des granulats dans les
Selon les auteurs, ces deux grandeurs représentent la fluidité (plus la valeur de Γm est élevée,
plus le mortier est fluide) et la viscosité (plus la valeur de Rm est faible, plus la viscosité est
élevée) du mortier. Le dosage du superplastifiant et le rapport E/C sont optimisés pour obtenir
simultanément Γm = 5 et Rm = 1 ± 0,1. Le bét
d’ouvrabilité, et le dosage du superplastifiant peut être réajusté si nécessaire pour obtenir un
béton autoplaçant satisfaisant.
Toutefois, le volume de gravier dans cette méthode est généralement sous-dim
pouvoir éviter les risques de blocages, ce qui peut conduire à des problèmes de retrait (le
volume de la pâte étant important). Le béton obtenu est ainsi loin d’un optimum économique.
Par ailleurs, l’approche japonaise n’est pas adaptée pour formuler des bétons avec des agents
de viscosité, pourtant elle conduit à la formulation de bétons très visqueux [TUR02].
De ce fait, plusieurs modifications et différents développements sont apportés à cette
méthode. En effet, Edamatsu et al [EDA99] ont réussi grâce à l’utilisation d’additions
minérales (fillers calcaire, cendres volantes, laitiers de hauts fou
ciment, dans le béton. Travai
[RIL01]) ont trouvé qu’il est possible d’augmenter le volume de gravier dans le béton à la
hauteur de 60% du volume solide total, et obtenir un béton autoplaçant. Le volume total de
pâte est réduit de 10% par rapport à celui obtenu avec la méthode générale.
5.2. Approche CBI (suédoise)
La méthode de formulation suédoise est développée par CBI (Cement och Betong Institutet)
[PETE96,99][BIL99] et se caractérise par la prise en compte des conditions des chantiers. En
effet, cette approche est basée sur l’évaluation des risques
milieux ferraillés. Elle permet d’optimiser la taille maximale des granulats par rapport à
l’espacement entre les armatures, et le volume des granulats dans le béton.
Joumana
t Rm 10 = La vitesse relative d’écoulement :
Joumana
t est le temps d’écoulement à l’entonnoir, exprimé en secondes.
Joumana
ces deux grandeurs représentent la fluidité
Joumana
plus la valeur de Γm est élevée,
Joumana
plus le mortier est fluide)
Joumana
la viscosité
Joumana
plus la valeur de Rm est faible, plus la viscosité est
Joumana
élevée)
Joumana
du mortier.
Joumana
Le dosage du superplastifiant et le rapport E/C sont optimisés pour obtenir
Joumana
simultanément Γm = 5 et Rm = 1 ± 0,1.
Joumana
Par ailleurs, l’approche japonaise n’est pas adaptée pour formuler des bétons avec des agents de viscosité, pourtant elle conduit à la formulation de bétons très visqueux [TUR02].
Joumana
le dosage
Joumana
du superplastifiant peut être réajusté si nécessaire pour obtenir un
Joumana
béton autoplaçant satisfaisant.
Joumana
Le
Joumana
on obtenu est testé pour vérifier les propriétés
Joumana
bét
Joumana
d’ouvrabilité,
Joumana
ensionné pour volume de gravier dans cette méthode est généralement sous-dim minérales (fillers calcaire, cendres volantes, laitiers de hauts fou pâte est réduit de 10% par rapport à celui obtenu avec la méthode générale.
Joumana
pouvoir éviter les risques de blocages,
Joumana
peut conduire à des problèmes de retrait
Joumana
ce qui
Joumana
volume de la pâte étant important).
Joumana
rneaux)
Joumana
Edamatsu et al [EDA99] ont réussi grâce à l’utilisation d’additions
Joumana
à augmenter le
Joumana
dosage de sable dans le mortier et à réduire donc le volume de pâte, et particulièrement du
Joumana
ciment, dans le béton.
Joumana
qu’il est possible d’augmenter le volume de gravier dans le béton à la hauteur de 60% du volume solide total,
Joumana
et obtenir un béton autoplaçant.
Joumana
Approche CBI (suédoise)
Joumana
Cement och Betong Institutet)
Joumana
prise en compte des conditions des chantiers.
Joumana
est basée sur
Joumana
l’évaluation des risques
Joumana
de blocage des granulats dans les
Joumana
milieux ferraillés.
Joumana
d’optimiser la taille maximale des granulats par rapport à
Joumana
l’espacement entre les armatures, et le volume des granulats dans le béton.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 36
Le principe de cette méthode s’appuie sur des tests effectués par différents auteurs ([OZA92]
[VAN94][TAN95] - cités par [RIL01]) sur des mélanges de pâte de ciment et de granulats de
différentes tailles, passant à travers différents espacements d’armatures. Pour chaque taille de
granulats, ils ont montré qu’il existe une teneur volumique critique de granulats en deçà de
laquelle le risque de blocage est nul et au dessus de laquelle le blocage est systématique. Cette
teneur volumique critique est fonction de l’espacement entre les armatures (par rapport à la
taille des granulats), et de la forme des granulats (roulés ou concassés). Cette méthode
suppose que le phénomène de blocage est indépendant de la nature de la pâte, pourvu que
celle-ci soit suffisamment fluide.
Ainsi, dans la formulation d’un béton, la méthode CBI consiste à déterminer le risque de
blocage Rb par la relation :
∑=i icrit
ib V
VR
,
(1.9)
Vi est la proportion volumique des granulats de taille i, par rapport au volume total du béton.
V est la teneur volumique critique de cette fraction granulaire de taille i. La valeur du crit , i
coefficient du risque de blocage Rb doit être inférieure ou égale à 1 pour obtenir un béton
satisfaisant. Ainsi, en utilisant cette approche pour évaluer le risque de blocage de bétons, on
réécrit l’équation 1.9 du risque de blocage [HAS99] :
∑⋅−=i icrit ,
y
ipb V
yVR )1( (1.10)
ge, en écrivant Rb = 1.
et al
i est la proportion volumique de granulats de taille i rapportée au volume total des granulats
et Vp est le volume de la pâte dans un volume unité de béton. A partir de cette relation, on
peut déduire, pour chaque rapport gravier sur sable (G/S), le volume minimal de pâte pour
éviter le risque de bloca
Le rapport E/C de la pâte et le type du ciment sont choisis en fonction de la gamme de
résistance visée, le dosage du superplastifiant est optimisé pour obtenir un écoulement
autoplaçant caractérisé essentiellement par le cône d’Abrams et la boite en L.
Les principales modifications et extensions de la méthode CBI sont apportées par Bui
[BUI99,02-b], qui a proposé un critère supplémentaire pour obtenir un béton autoplaçant. Il
s’agit d’ajouter un volume de pâte pour assurer un espacement minimal suffisant entre les
granulats afin de réduire les frictions et les frottements entre les granulats. Sa méthode
Joumana
Pour chaque taille de granulats, ils ont montré qu’il existe une teneur volumique critique de granulats en deçà de laquelle le risque de blocage est nul et au dessus de laquelle le blocage est systématique.
Joumana
Cette teneur volumique critique est fonction de l’espacement entre les armatures (par rapport à la taille des granulats), et de la forme des granulats (roulés ou concassés).
Joumana
afin de réduire les frictions et les frottements entre les granulats. Sa méthode
Joumana
∑ = i i crit i b V V R ,
Joumana
risque de
Joumana
blocage Rb
Joumana
CBI
Joumana
méthode
Joumana
phénomène de blocage est indépendant de la nature de la pâte,
Joumana
pourvu que
Joumana
celle-ci soit suffisamment fluide.
Joumana
∑ ⋅ − = i i crit , i p b V y V R ) 1 (
Joumana
Rb doit être inférieure ou égale à 1 pour obtenir un béton
Joumana
satisfaisant.
Joumana
A partir de cette relation, on peut déduire, pour chaque rapport gravier sur sable (G/S), le volume
Joumana
minimal de pâte pour
Joumana
éviter le risque de bloca
Joumana
ge,
Joumana
en écrivant Rb = 1.
Joumana
d’ajouter un volume de pâte pour assurer un espacement minimal suffisant entre les granulats
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 37
consiste à calculer l’épaisseur moyenne de pâte autour des granulats du béton autoplaçant,
grâce à une base de données importante de formulations de bétons [BUI02-b]. L’espacement
moyen entre les particules varie selon les auteurs entre 0,3 et 1 mm.
5.3. Approche LCPC
L’approche développée en France au LCPC par de Larrard et Sedran est basée sur le modèle
d’empilement compressible [SED99-b][LAR00,02] qui passe par l’optimisation de la porosité
e résistance et une plus grande ouvrabilité.
Le modèle acité du squelette gran ctéristiques
d e,
granulaires et la c opre. Les auteurs ont modélisé ’état frais du
béto tte gra
C u
par la mise en œuvre d’un logiciel (BétonlabPro 2) prenant en co ètres de
calcul de cette dém ulations de
cm, un seuil de cisaillement
inférieur à 500 Pa, et une viscosité plastique et 200 Pa.s (grandeurs
rhéologiques mesurées au BTH rs à un
béton assez fluide et qui ne pré
Une proportion de liant (ciment + addition m priori, pour laquelle on
détermin osage à saturatio teurs, le
moitié
de ce dosage serait plus pertinente. Le besoin ce du superplastifiant
est d t conduit au calcul t une donnée
d’entrée nécessaire. Grâc en
pr u
superplastifiant peut être ajusté pour obtenir les critères d’ouvrabilité désirés, celui de l’eau
pour obtenir la résistance à la compression ciblée.
du système formé par les grains solides. D’après les auteurs, un arrangement optimal du
squelette granulaire permet d’obtenir une meilleur
permet de prévoir la comp ulaire à partir des cara
es constituants telles que la densité apparent
ompacité pr
les proportions du mélange, les distributions
le comportement à l
n à partir de la compacité de son squele nulaire.
ette approche, basée sur la synthèse d’une q inzaine d’années de recherches est simplifiée
mpte tous les param
arche [LAR00,02], et permettant de déterminer des form
différents types de bétons (Bétons à haute performance, bétons ordinaires, bétons secs pour
démoulage immédiat, bétons autoplaçants). Pour un béton autoplaçant, les grandeurs exigées
à l’état frais sont un étalement au cône d’Abrams supérieur à 60
comprise entre 100
REOM). Ces critères correspondent selon les auteu
sente pas de ségrégation.
inérale) est fixée a
e le d n du superplastifiant utilisé. Selon l’expérience des au
dosage à saturation pourrait conférer au béton une viscosité élevée, par conséquent la
en eau du liant en présen
éterminé, e de la compacité propre du liant, qui es
e au logiciel, les dosages des constituants sont déterminés,
enant en compte tous les paramètres de calcul, et de l’effet de paroi. Le dosage d
Joumana
consiste à calculer l’épaisseur moyenne de pâte autour des granulats du béton autoplaçant, grâce à une base de données importante de formulations de bétons [BUI02-b].
Joumana
L’espacement moyen entre les particules varie selon les auteurs entre 0,3 et 1 mm.
Joumana
Approche LCPC
Joumana
développée en France au LCPC par de Larrard et Sedran est basée sur le modèle d’empilement compressible [SED99-b][LAR00,02] qui passe par l’optimisation de la porosité du système formé par les grains solides.
Joumana
e résistance et une plus grande ouvrabilité. arrangement optimal du squelette granulaire permet d’obtenir une meilleur
Joumana
acité du squelette gran ctéristiques d e, granulaires et la c opre. prévoir la comp ulaire à partir des cara es constituants telles que la densité apparent ompacité pr les proportions du mélange, les distributions
Joumana
cm, étalement au cône d’Abrams supérieur à 60
Joumana
un seuil de cisaillement inférieur à 500 Pa,
Joumana
viscosité plastique et 200 Pa.s comprise entre 100
Joumana
mesurées au BTH REOM).
Joumana
béton assez fluide et qui ne pré sente pas de ségrégation.
Joumana
u par la mise en œuvre d’un logiciel (BétonlabPro 2) prenant en co ètres de calcul de cette dém synthèse d’une q inzaine d’années de recherches est simplifiée mpte tous les param arche [LAR00,02],
Joumana
modélisé ’état frais du béto tte gra le comportement à l n à partir de la compacité de son squele nulaire.
Joumana
osage à saturatio d n du superplastifiant
Joumana
Une proportion de liant (ciment + addition m priori, pour laquelle on détermin inérale) est fixée a e
Joumana
moitié de ce dosage serait plus pertinente. dosage à saturation pourrait conférer au béton une viscosité élevée, par conséquent la
Joumana
l’effet de paroi.
Joumana
paramètres de calcul,
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 38
Des extensions de cette méthode de formulation sont effectuées par les mêmes auteurs
[LAR00,02] afin de prendre en compte plus de paramètres tels que les propriétés des bétons à
avons détaillé les trois méthodes de formulations de BAP les plus répandues, ainsi que
es pour la formulation de bétons
de viscosité. L’apport d’un adjuvant de telle nature
augmente significativement la viscosité du mélange, ce qui nécessite probablement des
importantes sur les méthodes de formulation des BAP.
béton ordinaire, par exemple un
faible rapport E/C correspond à une résistance en compression élevée. Or, pour les bétons
Béton autoplaçant (BAP) Béton ordinaire (BO)
l’état durci (retrait, fluage, module d’élasticité, résistance à la traction et à la compression).
5.4. Bilan
Nous
leurs modifications ou leurs extensions. Des auteurs comme Turcry et al [TUR02] ont testé les
trois approches et souligné quelques remarques issues des essais qu’ils ont menés. Ils estiment
que l’approche LCPC (appuyée par le logiciel développé) donne les résultats les plus
satisfaisants [TUR02].
Toutefois, les trois méthodes décrites, ne sont pas adapté
autoplaçants contenant des agents
ajustements et des modifications
Par ailleurs, des facteurs différents sont pris en considération pour formuler les bétons
ordinaires et autoplaçants. Pour les bétons ordinaires, la résistance (en général) est le
paramètre principal à optimiser, alors qu’avec les bétons autoplaçants les propriétés
d’écoulement ou le comportement à l’état frais sont les facteurs principaux à optimiser. Le
rapport E/C est le paramètre qui contrôle la résistance d’un
autoplaçants, ce même paramètre E/C est relié principalement à la fluidité ou à la viscosité du
béton. En effet, la résistance à la compression, une priorité dans la formulation des bétons
ordinaires, est devenue un élément sujet à une vérification dans la formulation des bétons
autoplaçants.
Le tableau 1.5 représente une comparaison entre les paramètres pris en compte pour la
formulation des bétons ordinaires et autoplaçants.
Priorité donnée au comportement du béton à Prioril’état frais
té donnée à la résistance mécanique du béton à l’état durci
Le rapport E/C correspond à la fluidité Le rapport E/C correspond à la résistance mécanique du béton
La résistance du béton est un paramètre sujet à une vérification
La résistance du béton est un objectif pour sa formulation
Tableau 1.5 : Comparaison BAP-BO au niveau de la formulation
Joumana
l’état durci
Joumana
extensions de cette méthode de formulation
Joumana
retrait, fluage, module d’élasticité, résistance à la traction et à la compression).
Joumana
Turcry et al [TUR02] ont testé les
Joumana
trois approches et souligné quelques remarques issues des essais qu’ils ont menés.
Joumana
LCPC (appuyée par le logiciel développé) donne les résultats les plus satisfaisants [TUR02].
Joumana
l’approche
Joumana
es pour la formulation de bétons de viscosité. les trois méthodes décrites, ne sont pas adapté autoplaçants contenant des agents
Joumana
rapport E/C est le paramètre qui contrôle la résistance
Joumana
même paramètre E/C est relié principalement à la fluidité ou à la viscosité du béton.
Joumana
Or, pour les bétons
Joumana
autoplaçants,
Joumana
ce
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 39
Nous présentons dans le tableau 1.6 des résultats issus d’une importante base de données sur
les formulations de bétons autoplaçants, sous forme de plages de valeurs du dosage des
constituants entrant dans la formulation des bétons autoplaçants.
Constituant Plages de dosages
Gravier mpris entre 30% et 34% de celui du béton
3Volume co
Soit 750 – 920 kg/m
Sable Volume compris entre 40% et 50% de celui du mortier
Soit 710 – 900 kg/m3
Pâte Volume compris entre 34% et 40% de celui du béton
(Dosage total de poudre 450 – 600 kg/m3) Rapport Eau/Poudre Compris entre 0,8 et 1,2 (en volume)
Eau totale et jusqu’à 200 litre/m
Volume compris entre 155 et 175 litres/m3
3 ou plus en présence d’agent de viscosité
Tableau 1.6 : Limites générales de dosages pour les constituants des bétons autoplaçants [RIL01]
6. Propriétés à l’état durci
Dans cette partie, nous résumons rapidement les différences qui existent entre les propriétés
des bétons autoplaçants à l’état durci et celles des bétons ordinaires. Elles sont étudiées sous
deux aspects, les propriétés mécaniques d’une part et physico-chimiques (durabilité) d’autre
s séries
lus homogène que le béton ordinaire vibré, grâce
notamment à une résistance à la ségrégation élevée. La structure d’un béton autoplaçant est
part.
Les principaux résultats présentés proviennent de la recherche effectuée au sein du LMDC
[PRO02][ASS04]. Des résultats expérimentaux ont été obtenus sur plusieur
d’échantillons, constitués des mêmes matériaux, même squelette granulaire (sauf les BHP), et
de classes de résistance relatives à des bétons de bâtiment (20 MPa), des bétons d’ouvrage (40
MPa) et des bétons à hautes performances BHP (60 MPa).
6.1. Propriétés mécaniques
6.1.1. Résistance mécanique
Considéré comme un mélange diphasique à l’état frais (phases solide et liquide), le béton
autoplaçant possède une structure p
Joumana
Résistance mécanique
Joumana
propriétés mécaniques
Joumana
physico-chimiques (durabilité)
Joumana
PRO02][ASS04].
Joumana
La structure d’un béton autoplaçant est
Joumana
lus homogène que le béton ordinaire vibré, grâce notamment à une résistance à la ségrégation élevée. possède une structure p
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 40
donc supposée être plus compacte et plus homogène que le béton ordinaire vibré, conférant au
béton autoplaçant une amélioration de résistance mécanique.
Les bétons autoplaçants présentent souvent une résistance mécanique plus élevée qu’un béton
ordinaire à un rapport E/C équivalent [GIB99][ASS04]. L’utilisation des fillers dans la
formulation des BAP génère une accélération de sa résistance mécanique aux jeunes âges
. Lorsqu’elles sont bien dispersées dans le béton, les particules fines des
fillers favorisent l’hydratation du ciment, et conduisent à une matrice cimentaire de structure
elui des BO. Ceci est expliqué par le fait que le
est plus important pour les bétons autoplaçants. En effet, le module
d’élasticité d’un béton est fonction des proportions volumiques de ses constituants et de leur
6.1.3. Retrait au jeune âge (0-24 heures)
supérieur à celui des bétons
ordinaires (en particulier pour les faibles gammes de résistance).
[PER99][LAR00]
plus dense (par effet physique principalement). Ces effets ont une influence sensible sur la
résistance mécanique jusqu’à 28 jours puis deviennent moins significatifs par la suite.
6.1.2. Module d’élasticité statique (en compression)
Des bétons autoplaçants et des bétons ordinaires vibrés à résistance mécanique égale sont
testés par [ASS04]. Pour des rapports gravier sur sable G/S similaires, le module d’élasticité
des BAP est équivalent à celui des BO. Par ailleurs, pour des rapports G/S différents, le
module d’élasticité des BAP est inférieur à c
volume de pâte
module respectif (le module de la pâte est bien inférieur à celui des granulats).
Pour une même classe de résistance, le coefficient de dilatation thermique au jeune âge (0-24
heures) est équivalent pour les bétons autoplaçants et les bétons ordinaires [ASS04]. Le retrait
au jeune âge en dessiccation des bétons autoplaçants est
6.1.4. Retrait à l’état durci
En dessiccation, les bétons autoplaçants et les bétons ordinaires vibrés possèdent en général
un retrait total équivalent. Cependant, les deux types de bétons affichent une différence pour
les gammes de résistance élevées (pour les BHP), où le retrait des BAP est supérieur. En
mode endogène, les bétons autoplaçants et les bétons ordinaires présentent un retrait similaire
à 28 jours. Au delà d’un an, les BAP présentent un retrait légèrement supérieur à celui des
BO. Il est vraisemblable que les légères différences entre les retraits des deux types de béton
est dû au volume de pâte qui est plus important dans les bétons autoplaçants [ASS04].
Joumana
Module d’élasticité statique (en compression)
Joumana
Retrait au jeune âge (0-24 heures)
Joumana
Retrait à l’état durci
Joumana
donc supposée être plus compacte et plus homogène que le béton ordinaire vibré, conférant au béton autoplaçant une amélioration de résistance mécanique.
Joumana
un rapport E/C équivalent
Joumana
à
Joumana
Pour des rapports gravier sur sable G/S similaires, le module d’élasticité des BAP est équivalent à celui des BO.
Joumana
elui des BO. Par ailleurs, pour des rapports G/S différents, le module d’élasticité des BAP est inférieur à c
Joumana
Ceci est expliqué par le fait que le est plus important pour les bétons autoplaçants. volume de pâte
Joumana
Au delà d’un an, les BAP présentent un retrait légèrement supérieur à celui des BO. Il est vraisemblable que les légères différences entre les retraits des deux types de béton est dû au volume de pâte qui est plus important dans les bétons autoplaçants [ASS04].
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 41
6.1.5. Déformations et fluage
Les bétons autoplaçants subissent des déformations différées sous charge plus importantes
que celles des bétons ordinaires vibrés dans la même gamme de résistance [ASS04].
Les déformations spécifiques propres et totales ainsi que le fluage spécifique, sont légèrement
supérieurs dans le cas des bétons autoplaçants [PRO02], sauf pour la gamme de résistance
ent pour lesquels ces paramètres sont identiques entre BAP et BO.
ur les bétons autoplaçants et les bétons ordinaires.
ccélérée et
lessivage au nitrate d’ammonium) peuvent être considérées comme équivalentes entre les
relative aux bétons de bâtim
6.2. Propriétés physico-chimiques et durabilité
Dans le domaine physico-chimique, les résultats des essais expérimentaux (perméabilité à
l’oxygène, diffusion des ions chlore, absorption d’eau, carbonatation accélérée et lessivage au
nitrate d’ammonium) [ASS04] ont été comparés en fonction de la résistance mécanique pour
les deux types de béton (BAP et BO).
La perméabilité à l’oxygène des bétons autoplaçants est inférieure à celle des bétons
ordinaires vibrés pour une gamme de résistance donnée.
Il n’y a pas de différence significative entre les BAP et les BO en termes de diffusion des ions
chlore et d’absorption d’eau par capillarité. Et toujours à résistance équivalente, le taux de
carbonatation et la cinétique de lessivage au nitrate d’ammonium des deux types de béton
restent comparables. Ces propriétés évoluent avec la résistance en compression de manière
identique po
6.3. Bilan
Les résultats des essais expérimentaux menés au sein du LMDC [PRO02][ASS04] sur des
formulations de bétons autoplaçants et de bétons ordinaires, dans les domaines mécanique et
physico-chimique ont montré qu’il y avait très peu de différences entre les deux types de
béton. Le fluage des BAP semble légèrement supérieur à celui des BO, tandis que toutes les
autres propriétés mécaniques (module d’élasticité, retrait) et de transfert (perméabilité à
l’oxygène, diffusion des ions chlore, absorption capillaire, carbonatation a
bétons autoplaçants et les bétons ordinaires.
Joumana
Déformations et fluage
Joumana
Les bétons autoplaçants subissent des déformations différées sous charge plus importantes que celles des bétons ordinaires vibrés dans la même gamme de résistance [ASS04].
Joumana
La perméabilité à l’oxygène des bétons autoplaçants est inférieure à celle des bétons ordinaires vibrés pour une gamme de résistance donnée.
Joumana
ccélérée et lessivage au nitrate d’ammonium) peuvent être considérées comme équivalentes entre les fluage des BAP semble légèrement supérieur à celui des BO, tandis que toutes les autres propriétés mécaniques (module d’élasticité, retrait) et de transfert (perméabilité à l’oxygène, diffusion des ions chlore, absorption capillaire, carbonatation a bétons autoplaçants et les bétons ordinaires.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 42
7. Synthèse
Dans cette rev toplaçant, ses
multiples propriétés, sa caractérisation, et les méthodes principales de sa formulation.
(BAP) est un béton très fluide, homogène, et qui se met en place sans
vibration. Il présente des avantages techniques et socio-économiques pour les chantiers de
ent ferraillés. Un béton est qualifié d’autoplaçant lorsque ces trois
critères sont vérifiés. Ainsi, un grand nombre de tests empiriques sont développés pour
éton autoplaçant est encore loin d’être
ilité du béton.
Cette revue bibliographique permet de dégager une problématique importante concernant la
ppement parallèle de nouveaux
produits, capables de modifier les propriétés des bétons (comme les agents de viscosité, les
additions minérales et les entraîneurs d’air par exemple), non pris en compte dans ces
méthodes, nécessite très souvent des extensions et des modifications. On remarque aussi que
ue bibliographique, notre objectif était de définir le béton au
Le béton autoplaçant
construction par rapport au béton ordinaire traditionnel. Le béton autoplaçant à l’état frais
peut être caractérisé à deux niveaux : ouvrabilité et rhéologie.
Les principales propriétés d’ouvrabilité d’un BAP sont le remplissage (taux de remplissage et
vitesse de déformation), la résistance à la ségrégation et la capacité de passage dans les
milieux confinés et fortem
caractériser le béton vis-à-vis des propriétés d’ouvrabilité. Par ailleurs, les propriétés
rhéologiques d’un béton autoplaçant sont principalement reliées au seuil de cisaillement et à
la viscosité. Un BAP est caractérisé par un faible seuil de cisaillement pour permettre
l’écoulement sous l’effet de gravité, et par une viscosité suffisante pour améliorer la
résistance à la ségrégation et l’homogénéité. Son écoulement répond généralement au
comportement de type Herschel-Bulkley, observé par plusieurs auteurs. A l’exception d’une
corrélation établie entre la viscosité d’un béton autoplaçant et les temps d’écoulement au cône
d’Abrams (T50), à l’entonnoir (TVf) et à la boite en L (T40), aucune relation claire n’est mise
en évidence entre les propriétés rhéologiques et les propriétés d’ouvrabilité des bétons
autoplaçants. Une caractérisation globale d’un b
effectuée par un seul test : les différents tests empiriques et les tests rhéologiques sont des
essais complémentaires mettant en évidence plusieurs facettes de l’autoplacib
- PROBLEMATIQUE
formulation des bétons autoplaçants. La formulation des BAP, reste actuellement une des
difficultés majeures à son développement et utilisation. Les principales méthodes de
formulation des BAP ont nécessité de longues années de recherches (méthodes japonaise, CBI
et LCPC) pour leur mise en œuvre. Cependant le dévelo
Joumana
remplissage
Joumana
à la ségrégation
Joumana
résistance
Joumana
capacité de passage dans les
Joumana
milieux confinés
Joumana
ent ferraillés. fortem
Joumana
principalement reliées au seuil de cisaillement
Joumana
rhéologiques d’un béton autoplaçant sont
Joumana
les propriétés
Joumana
et à
Joumana
la viscosité.
Joumana
faible seuil de cisaillement pour permettre l’écoulement sous l’effet de gravité,
Joumana
une viscosité suffisante pour améliorer la résistance à la ségrégation et l’homogénéité.
Joumana
une viscosité suffisante pour améliorer la résistance à la ségrégation et l’homogénéité.
Joumana
faible seuil de cisaillement pour permettre l’écoulement sous l’effet de gravité,
Joumana
ppement parallèle de nouveaux produits, capables de modifier les propriétés des bétons (comme les agents de viscosité, les additions minérales et les entraîneurs d’air par exemple), dévelo
Joumana
non pris en compte dans ces méthodes, nécessite très souvent des extensions et des modifications.
Partie I - Chapitre 1 : Béton autoplaçant (BAP) 43
les méthodes de formulation sont optimisées pour les matériaux locaux utilisés, et les objectifs
d’utilisation ; la méthode CBI par exemple a pour objectif la formulation d’un béton qui
ent le changement de celui du ciment (pour garder un
rapport E/C fixe par exemple). Ainsi, tous les dosages des constituants du béton, et les
Le chapitre 2 s’inscrit donc dans cette optique.
possède une bonne capacité de passage dans les milieux ferraillés, pour une utilisation sur
chantier (la granulométrie du gravier est choisie en fonction des espacements entre les
armatures).
Les trois approches décrites dans ce chapitre, n’ont pas été développées pour formuler des
bétons autoplaçants contenant des agents de viscosité. Cet adjuvant peut en effet modifier les
propriétés d’écoulement du béton, et nécessite un changement dans les dosages de l’eau et du
superplastifiant, entraînant indirectem
méthodes de formulation sont amenés à être modifiés. Par conséquent, plusieurs questions se
posent : l’ajout d’un tel constituant a-t-il une influence sur les rôles de base des autres
constituants et comment peut-il modifier les principes de formulation d’un BAP ?
Pour y répondre, il faut avoir une bonne compréhension des effets propres de chaque
composant et des interactivités entre eux.
Joumana
méthodes de formulation sont optimisées pour les matériaux locaux utilisés,
Joumana
et les objectifs
Joumana
d’utilisation
Joumana
les
Joumana
méthode CBI par exemple a pour objectif la formulation d’un béton qui possède une bonne capacité de passage dans les milieux ferraillés, pour une utilisation sur chantier (la granulométrie du gravier est choisie en fonction des espacements entre les armatures).
Joumana
Les trois approches décrites dans ce chapitre, n’ont pas été développées pour formuler des bétons autoplaçants contenant des agents de viscosité.
Joumana
ent le changement de celui du ciment peut en effet modifier les propriétés d’écoulement du béton, et nécessite un changement dans les dosages de l’eau et du superplastifiant, entraînant indirectem
Joumana
l’ajout d’un tel constituant a-t-il une influence sur les rôles de base des autres constituants et comment peut-il modifier les principes de formulation d’un BAP ?
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 44
CHAPITRE 2 – ECOULEMENT DES BETONS AUTOPLACANTS :
CONSTITUANTS ET PARAMETRES INFLUENTS
ant sur les
propriétés d’écoulement du béton. Le rôle d’un constituant dépend essentiellement de son état
chimique, et morphologique. Ainsi, nous allons
décrire dans ce chapitre les caractéristiques des différents constituants entrant dans la
nt des produits chimiques incorporés au béton
frais en faibles quantités afin d’en améliorer certaines propriétés. Leur efficacité est liée à
l’homogénéité de leur répartition dans la matrice du béton. On distingue plusieurs types
d’adjuvants : les plastifiants, les superplastifiants, les entraîneurs d’air, les agents de viscosité,
joue un rôle différent dans l’écoulement et dans le comportement
rhéologique du béton, et des interactions existent entr s.
2. C
Le aux de la pâte de ciment, qui constitue la matrice d’un béton sont
peu étudiés en tant que facteurs indépendant lement sont
implicitement mises en évidence en se basant sur le rapport E/C. Ce paramètre est très relié
1. Introduction
Toute formulation passe par la compréhension de l’influence de chaque constitu
(fluide, solide) et de sa nature minéralogique,
composition du béton autoplaçant (granulats, ciment, additions minérales, adjuvants et eau), et
les paramètres influents.
Les constituants de base d’un béton ordinaire sont le ciment, l’eau et les granulats. En effet, si
l’un de ces constituants n’est pas présent, le béton n’existerait pas. Les bétons autoplaçants
par contre, sont possibles grâce aux ajouts d’adjuvants et d’additions minérales à la
composition de base du béton. Les adjuvants so
les retardateurs et les accélérateurs de prises, etc. Les adjuvants principaux capables de
modifier l’écoulement des bétons autoplaçants, et qui entrent dans leur formulation de base
sont les superplastifiants et les agents de viscosité.
Chaque constituant
e certains composant
iment et Eau
s deux constituants princip
s. Leurs influences sur l’écou
aux différentes propriétés des bétons, aux états frais et durci.
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 45
2.1. Eau
L’eau potable sert de référence pour la formulation du béton à cause de sa disponibilité
(distribuée par les services publics). L’eau utilisée ne doit pas présenter un excès d’impuretés
[NF03] qui peuvent détériorer les propriétés des bétons (résistance, propriétés esthétiques,
corrosion des armatures, etc.). Une partie de l’eau ajoutée au béton est mobilisée par les
granulats (absorption, adsorption), alors qu’une deuxième partie est consommée par
l’hydratation, et une troisième partie reste libre dans la matrice du béton. Cette dernière est
de la suspension entre les granulats.
ndant, l’introduction
excessive d’eau provoque la chute de la résistance mécanique du béton à l’état durci, ainsi que
l’apparition des phénomènes de ségrégation à l’état frais.
2.2. Ciment
e de calcaire et d’argile. Le ciment est un
liant hydraulique qui se présente sous la form minérale fine, s’hydratant en
présence d’eau, et forme une pâte qui fait prise et durcit progressivement à l’air ou dans l’eau.
Le n
ame
t s d’écoulement
puisqu’on considère que la structure de la matrice n’est pas modifiée par le processus
d’hydratation. Différents types de ciment existent sur le m , et se distinguent par leurs
relations avec les propriétés du béton. Ainsi, le choix du type du ciment, est conditionné par
les performances souhaitées du béton [BARO96] (résistance à la compression, temps de début
de prise, stabilité, retrait, teneurs en chlorures et en sulfates, pouzzolanicité, etc.). Du point de
principalement responsable de la fluidité du béton, en agissant sur la concentration en solides
A part son rôle majeur dans le phénomène de l’hydratation, l’eau est l’un des facteurs les plus
importants au niveau de l’ouvrabilité du béton. L’augmentation du dosage en eau augmente la
fluidité du béton et entraîne la diminution de la concentration en solides ; au niveau
rhéologique, le seuil de cisaillement et la viscosité diminuent. Cepe
Les ciments les plus courants dans le monde du génie civil, sont les ciments à base de clinker
Portland, produit obtenu par la cuisson d’un mélang
e d’une poudre
durcissement du ciment est principalement dû à l’hydratation du silicate tricalcique, u
composant majeur du clinker. C’est le constituant fond ntal du béton puisqu’il permet la
transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide, en liant les différents
constituants. Le clinker est accompagné de sulfate de calcium (gypse ou anhydrite) nécessaire
pour régulariser la prise, c’est à dire faire en sorte que le béton (ou la pâte de ciment) reste en
phase dormante pendant une période suffisamment longue (de l’ordre d’une heure et demi)
avant le passage à l’état solide. Cette phase est propice à la réalisation des est
arché
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 46
vue rhéologique, les propriétés du ciment influant sur l’écoulement de la pâte d’un béton sont
principalement la composition minéralogique, la granulométrie et la finesse [BOM67]
[BON97].
Par ailleurs, le dosage du ciment dans le béton est très souvent relié aux propriétés
mécaniques et de durabilité du béton. On considère que l’écoulement et l’ouvrabilité du béton
s, adjuvants avec un extrait sec
sont reliés au rapport E/C et malgré l’importance du ciment, l’influence de son dosage sur les
propriétés d’écoulement est peu étudiée dans la littérature concernant les BAP.
2.3. Concentration volumique en solides
Le rapport E/C (en masse) est un facteur très influent sur les différents aspects des bétons. Ce
rapport a toujours été associé directement à la résistance mécanique du béton et sa durabilité,
et la formulation des bétons ordinaires passait par l’optimisation de ce paramètre. Toutefois,
l’introduction de nouveaux matériaux (additions minérale
solide) porte un intérêt particulier à l’utilisation de la concentration volumique en solides
puisque ce paramètre prend en compte tous les constituants du béton. La concentration
volumique en solides Γ d’un mélange s’écrit :
T
S
VV
totalVolumesolidesdesVolume
==Γ (2.1)
Certains auteurs ont établi des modèles empiriques pour relier le seuil de cisaillement 0τ des
pâtes à la concentration volumique en solides Γ . Ces modèles obéissent généralement à des
lois exponentielles ou de puissance (tableau 2.1) et peuvent dépendre de la surface spécifique
S du ciment utilisé.
Auteur Equation générale
Legrand [LEG71,72] ( )5,00
−Γ⋅⋅= beaτ
Vom Berg [VOM79] 2110
bb Sea ⋅⋅= Γ⋅τ
Alderman et al [ALD91] ba Γ⋅=0τ a, b, a1, b1, b2 sont des constantes.
Tableau 2.1 : modèles de prédiction de seuil de cisaillement
Pour des mélanges cimentaires dispersés, l’augmentation de la concentration volumique en
solides rapproche les particules les unes des autres. Les particules forment un réseau où les
forces d’interactions colloïdales deviennent considérables [CYR99]. L’écoulement de la pâte
est d’autant plus difficile à déclencher que les forces d’interactions sont importantes.
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 47
Toutefois, si l’augmentation de la concentration volumique en solides provoque la
densification du mélange et l’augmentation du seuil de cisaillement, elle est aussi fortement
influente sur la valeur de la viscosité. Il existe un grand nombre d’équations reliant la
viscosité à la valeur de Γ . Einstein était parmi les premiers à établir une équation de
prédiction de la viscosité en fonction de la concentration en solides et de la viscosité du
liquide interstitiel 0µ [EIN06] :
( )Γ⋅+⋅= 5,210µµ (2.2)
Cette relation s’applique aux suspensions diluées à température de 20°C )1,0( <Γ .
Cependant, la viscosité augmente de façon plus rapide pour des suspensions plus concentrées
(pour Γ supérieure à 0,1), et différentes modifications ont été proposées. La plupart d’entre
elles expriment le fait que la viscosité augmente avec la concentration en solides, pour tendre
vers l’infini quand la suspension est proche de l’empilement maximum. Une relation type est
celle de Krieger-Dougherty [KRI59], s’appliquant aux pâtes de ciment :
max
max0 1 ⎟⎟
⎠⎜⎜⎝ Γ
−⋅= µµ Γ⋅−
⎞⎛ ΓK
(2.3)
où K est un facteur de forme, maxΓ est la concentration volumique de l’empilement maximum.
Ce modèle a été appliqué et vérifié par Struble et al [STR95] et par Toutou et al [TOUT04-a]
[TOUT04-b], avec des pâtes de ciment (figure 2.1).
Viscosité calculée à ungradient de vitesse de 500 s-1
Concentration volumique en solides
Vis
cosi
té (P
a.s)
0% de superplastifiant
5% de superplastifiant
Figure 2.1 : Application du modèle de Krieger-Dougherty aux pâtes de ciment [STR95]
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 48
Cependant, les auteurs trouvent que la valeur du terme maxΓ dépend du gradient de vitesse de
cisaillement de la pâte de ciment, ce que d’autres auteurs comme Ferraris et de Larrard
98 ire au concept st empilement. Ces derniers ont
trouvé que le modèle de Krieger-Dougherty ne s’applique pas aux mortiers et bétons, et ont
[FER ][LAR00] considèrent contra atique de l’
développé un modèle empirique [FER98][LAR00] pour décrire la relation entre la viscosité
plastique (que nous notons plaµ ) et la concentration volumique en solides Γ :
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ΓΓ
⋅= 7448,075,26expmax
plaµ (2.4)
En bilan, nous concluons que la concentration en solides joue un rôle important sur les
propriétés rhéologiques des bétons, mortiers et pâtes de ciment ; l’augmentation de ce
paramètre conduit à l’augmentation du seuil de cisaillement et de la viscosité.
3. Granulats
Les granulats (sable et gravier) constituent le squelette du béton. Ils sont définis comme un
intrinsèques), et de la compacité du squelette global, ainsi que
s et la pâte du béton [LAR00].
ulaire sec, ont cependant une influence sur le
ensemble de grains minéraux de dimensions comprises entre 0 et 125 mm [BARO96] et
doivent être chimiquement inertes vis-à-vis du ciment, de l’eau et de l’air. La nature des
roches constituant les gisements est responsable des propriétés intrinsèques (masse
volumique, résistance, porosité, réactivité, etc.) des granulats [BARO96]. La granularité et la
forme des granulats sont fonction du processus d’élaboration. Selon leur origine, on distingue
les granulats roulés, extraits de ballastières naturelles ou dragués en rivière ou en mer, et
concassés, obtenus à partir de roches exploitées en carrière.
Les granulats permettent tout d’abord de réduire considérablement le coût global du béton
(cinq fois moins chers que le ciment), mais leur influence est déterminante sur la résistance
mécanique du béton à l’état durci. La résistance mécanique du béton dépend fortement de la
nature des granulats (propriétés
de l’adhérence entre les granulat
La granularité et la compacité du squelette gran
comportement du béton à l’état frais. Pour mieux comprendre, nous prenons l’exemple d’un
ensemble de granulats sphériques de même taille. La compacité mesurée sur un mélange de
ces granulats est généralement égale à 0,64. Cependant, si nous utilisons des granulats de
tailles différentes (différente granularité), les petits grains rempliront les vides laissés par les
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 49
plus grands grains et ainsi de suite ; la compacité obtenue est plus importante que celle d’un
ensemble de granulats de même taille. Par conséquent, un squelette granulaire plus compact,
diminue le volume des vides dans le béton et laisse moins de vides à occuper par la pâte.
Ainsi un volume de pâte est libéré par rapport à un squelette granulaire moins compact,
contribuant à modifier l’écoulement du béton. Bien que Hu [HU95] considère que les
granulats sont considérés comme un élément qui n’a pas une influence principale du point de
vue rhéologique, Baron et Lesage [BARO69] ont cependant montré que l’optimum de
compacité du mélange granulaire sec correspond à l’optimum de fluidité du béton à teneur en
eau constante. Pour un type de granulats, comp sé de gravier (G) et de sable (S), les auteurs
maximal au cône d’Abrams.
conférer des propriétés
atériaux finement divisés parmi lesquelles nous citons les fillers,
la fumée de silice, les cendres volantes et le laitier de haut fourneau qui proviennent
s à la formulation de béton comme substituant du
ciment (produit plus cher), contribue à réduire le coût du béton. Par ailleurs, l’utilisation
inérales dans le monde contribue aussi à réduire la production du
o
ont montré qu’il existe un rapport (en masse) G/S optimal, correspondant à un affaissement
Par ailleurs, le dosage des granulats peut avoir une influence sur les propriétés d’ouvrabilité
des bétons. Pour obtenir un béton autoplaçant, le volume du gravier et la taille maximale des
granulats ont été réduits (voir chapitre 1 - §2.1 ouvrabilité) pour réduire les frictions et éviter
les blocages dans des zones confinées.
4. Additions minérales
Différentes additions minérales peuvent être ajoutées au béton, substituant ou non une partie
du ciment, afin d’améliorer certaines de ses propriétés ou de lui
particulières. Ce sont des m
principalement de l’industrie. Ces fines présentent plusieurs avantages dans l’industrie et la
formulation des bétons.
4.1. Avantages économiques et environnementaux
La plupart des additions minérales sont des sous-produits provenant de l’industrie et leur coût
est souvent égal au coût du transport et de manipulation (broyage par exemple). Ainsi
l’incorporation des additions minérale
généralisée des additions m
ciment qui nécessite une chaleur importante, donc à réduire la quantité de combustible utilisée
pour l’industrie du ciment, ainsi que l’émission du CO2 de l’industrie cimentière dans la
nature.
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 50
4.2. Avantages techniques
En général, les additions minérales influencent fortement les propriétés des bétons à l’état
durci ; elles permettent d’améliorer les propriétés mécaniques et la durabilité des bétons. En
raison de leurs petites dimensions, les particules de la poudre se glissent entre les grains plus
gros (sable par exemple), contribuant ainsi à avoir un squelette solide plus compact et
réduisant l’espace libre pour l’eau [LAN97]. Cette optimisation de la granulométrie du
squelette total, aide aussi à limiter le ressuage du béton et à augmenter la cohésion de
l’ensemble. Par ailleurs, les additions minérales réduisent la chaleur dégagée du béton lors de
l’hydratation, ce qui diminue la fissuration d’origine thermique.
4.3. Influence sur l’écoulement
Lorsque les forces d’attraction de Van der Waals entre les particules d’une suspension
cime ntes, le résultat est s la solution.
Ces flo les de
du
dosage, du type, de la finesse, de la forme des particules et de la granularité des additions
e hauts fourneaux et les cendres
micronisées ont de leur côté une faible demande en eau par rapport au ciment, et sont donc
bénéfiques pour la formulation des bétons autoplaçants et à hautes performances, puisqu’ils
ntaire sont très fortes, ou domina la création de flocs dan
cs peuvent être évités par l’ajout d’un superplastifiant qui s’adsorbe aux particu
ciment et leur confère une charge négative pour neutraliser les forces d’attraction et
augmenter les forces de répulsion entre les particules. Le rôle des additions minérales peut
s’inscrire dans ce cadre ; l’interposition des fines entre les particules solides de la suspension
contribue à modifier sa structure. Ainsi, les additions minérales substituant une partie du
ciment agissent généralement en baissant le seuil de cisaillement des bétons [ZHA00].
Toutefois, l’influence des additions minérales sur la viscosité des bétons est fonction
[NEH98][CYR99][ZHA00].
L’augmentation du dosage des fines dans un béton, pour un dosage constant en ciment,
implique l’augmentation de la concentration volumique en solides et donc, favorise
généralement la croissance de la viscosité du béton. Par contre, pour un dosage en poudre
(ciment et addition) constant, la substitution du ciment par de l’addition peut influencer
l’écoulement du béton en fonction du type de l’addition. En effet, certaines additions comme
la fumée de silice ont une demande en eau importante par rapport au ciment, ce qui peut
réduire les propriétés d’ouvrabilité et mécaniques du béton [FER01][CYR03], et augmenter la
viscosité. D’autres additions comme les fines des laitiers d
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 51
permettent de baisser la viscosité et d’améliorer les propriétés mécaniques des bétons
[LAN97][CYR03].
4.4. Filler calcaire
De na au, et
peut conduire à une légère diminution de viscosité du mélange cimentaire [GAL00][CYR03].
cette addition à dosages élevés dans la formulation des
al [YAH05]
montrent qu’à chaque rapport E/C correspond un dosage optimum en filler calcaire qui peut
ture inerte, le filler calcaire semble avoir une faible influence sur la demande en e
Ceci peut justifier l’utilisation de
bétons (BAP et BHP). Cependant, plusieurs auteurs ont remarqué que, pour un dosage
constant en ciment (ou un rapport E/C constant), l’ajout du filler calcaire contribue à diminuer
la viscosité d’une pâte de ciment (malgré l’augmentation de la concentration volumique en
solides), avant de provoquer une augmentation de la viscosité lorsque son dosage dépasse une
certaine valeur critique, qui dépend du rapport E/C [ZHA00][YAH05]. Yahia et
assurer un écoulement optimal du mélange cimentaire. La figure 2.2 montre l’évolution de
l’écoulement (représenté par l’étalement relatif et la vitesse relative d’écoulement) des
mortiers à différents dosages en filler calcaire.
Figure 2.2 : effet du dosage en filler calcaire sur l’écoulement en fonction du rapport E/C du mortier [YAH05]
Les auteurs expliquent que les particules fines du filler calcaire remplissent les vides
disponibles entre les particules du mortier, augmentant ainsi la compacité du mélange en
améliorant l’arrangement total des particules dans la matrice [YAH05]. Par conséquent une
quantité de l’eau qui occupait ces vides est libérée dans la solution interstitielle, ce qui se
traduit par une meilleure fluidité. Au delà du dosage critique, la viscosité du m rtier augmente
avec l’a teint sa
compacité maximale lorsque le dosage critique en filler est atteint [YAH05] ; au delà de ce
dosage les frictions entre particules sont de plus en plus importantes.
o
jout du filler calcaire. En effet, les auteurs considèrent que le mortier at
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 52
5. Superplastifiants
En tant qu’adjuvant, le superplastifiant peut avoir plusieurs fonctions dans un mélange
cimentaire. La fonction de base est la fluidification, puisqu’il provoque un important gain
d’ouvrabilité d’un mélange. Le superplastifiant est responsable d’un effet de plastification : à
même teneur en eau, il permet d’augmenter l’ouvrabilité, sans diminuer les résistances à long
terme de la pâte, du mortier ou du béton. La fonction « réducteur d’eau » se manifeste par la
réduction du rapport E/C pour une même ouvrabilité. Ceci permet donc d’augmenter les
performances mécaniques du mélange.
5.
: Polynaphtalène sulfonate (PNS), Polymélamine
sulfonate (PMS), Lignosulfonates modifiés (LS), Polycarboxylate (PC), Polyacrylate (PA) et
1. Propriétés
Un grand nombre de superplastifiants existent sur le marché. Ces adjuvants essentiellement
fabriqués pour l’industrie du béton, sont des polymères organiques constitués de groupes
hydrophobes et d’autres hydrophiles. Les superplastifiants sont divisés en familles de produits
parmi lesquelles nous citons les principaux
Polyoxyéthylène (POE). Les structures chimiques des superplastifiants de la nouvelle
génération ne sont pas révélées par les fabricants pour des raisons liées au secret industriel.
Toutefois, elles pourraient s’apparenter aux motifs « exemples » de la figure 2.3.
Figure 2.6 : Variation du potentiel zêta en fonction du dosage en Superplastifiant [BLA03]
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 56
5.3. Influence sur l’écoulement
Différents auteurs se sont intéressés à l’influence des superplastifiants et de leurs
ion électrostatique, soit par effet
e et de disperser les particules solides. Ainsi le
seuil de cisaillement et la viscosité d’un mélange cimentaire diminuent avec l’ajout d’un
eau [BON97] explique
l’utilité de cette dernière partie par le besoin d’une quantité en réserve pour couvrir les surface
naissantes et pour remplacer les molécules consommées par complexation.
D’autres auteurs montrent que la fluidité d’une pâte de ciment augmente avec le degré
d’adsorption du superplastifiant (toutes catégories) [UCH97][HAN99][YAM00][SCH03],
mais aussi lorsque la longueur des ramifications des polymères (PC et POE) est plus
importante [YAM00][SCH03]. Ce dernier paramètre est aussi responsable de l’action
prolongée du superplastifiant. Alors que les superplastifiants à base de sulfonate s’adsorbent à
plat sur les particules de ciment (figure 2.4), ceux à base de polycarboxylates s’adsorbent par
l’intermédiaire de leurs charges anioniques actives, laissant leurs ram ications se prolonger
loi à
plat seront recouverts, mais ceux qui possèdent des ramifications nécessitent plus de temps
caractéristiques sur la fluidité des pâtes cimentaires. Grâce aux mécanismes d’actions décrits
ci-dessus, les superplastifiants agissent soit par répuls
stérique, afin d’augmenter la fluidité du mélang
superplastifiant.
Toutefois, l’influence d’un superplastifiant sur le comportement de la pâte dépend de son
dosage, de ses caractéristiques et de son mode d’utilisation. En effet, Flatt et al [FLA01]
expliquent que le superplastifiant ajouté à une suspension de ciment est divisé en trois parties.
La première partie est « consommée » par la réaction chimique de l’hydratation, plus
particulièrement par la formation des phases AFt et des C-S-H [FLA01] (phénomène de
complexation [BON97]). La deuxième partie est adsorbée sur les phases hydratées des
particules de ciment. La troisième partie du superplastifiant est celle qui reste disponible dans
la solution interstitielle entre les particules de ciment. Ainsi, le dosage du superplastifiant à
ajouter à une suspension cimentaire doit être suffisant pour permettre à une quantité de rester
disponible dans la solution interstitielle, contribuant à obtenir une fluidité plus grande, et qui
dure plus longtemps avant le début de prise de la suspension. Bonn
if
n dans la solution interstitielle. Avec la formation des hydrates, les polymères adsorbés
pour que les hydrates puissent les recouvrir (Figure 2.7).
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 57
Ramifications non recouvertesdans la solution interstitielle
Hydrates
Figure 2.7 : ramifications des polymères recouvertes par la formation des hydrates
Ainsi, les superplastifiants à base de polycarboxylate par exemple, peuvent maintenir une
fluidité ou une ouvrabilité constante pendant au moins 50 minutes avant le début de prise du
mélange cimentaire [AMB03].
La longueur de la chaîne principale du polymère ne semble pas avoir une influence principale
sur l’écoulement des pâtes cimentaires. Par ailleurs, la consommation par complexation d’une
ut être la conséquence d’un manque de cohésion entre les
partie de superplastifiant lors de l’ajout à une suspension cimentaire peut être réduite lorsque
l’ajout est différé (retardé) [AIA03].
L’optimisation des propriétés du superplastifiant utilisé, par rapport aux critères et aux
besoins visés, peut s’avérer un moyen très pratique pour la formulation des bétons et des pâtes
de ciment. La copolymérisation par exemple, permet d’associer des charges anioniques à des
polymères à base de polycarboxylate en différents degrés, ce qui peut influencer le degré
d’adsorption et le potentiel zêta de la suspension.
6. Agents de viscosité
L’utilisation des agents de viscosité dans la formulation des bétons autoplaçants est devenue
récemment une nécessité pour garantir une bonne résistance à la ségrégation du béton, sans
pour autant « nuire » à la fluidité qui est assurée par l’utilisation des superplastifiants. En
effet, ces derniers augmentent souvent les risques de ségrégation des bétons, et la séparation
des phases entre les constituants pe
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 58
phases. Les agents de viscosité sont donc utilisés en même temps que les superplastifiants
pour obtenir un béton autoplaçant répondant aux critères définis au chapitre 1 (§2.1).
6.1. Propriétés et mécanismes d’actions
En général les agents de viscosité utilisés sont des polysaccharides hydrosolubles [KHA03].
Khayat et al [KHA98-a,03] reporte un classement établi par Kawai [KAW87 - cité par
KHA98-a,03] qui fixe 3 catégories générales pour les agents de viscosité : les polymères
naturels, semi-synthétiques et synthétiques. Les polymères naturels ou biopolymères
regroupent des produits tels que la gomme welan, la gomme xanthane et la gomme guar. Les
polymères semi-synthétiques regroupent des produits tels que les dérivés cellulosiques
comme ceux à base d’hydroxypropylméthyl cellulose (HPMC), d’hydroxylethyl cellulose
(HEC) et de carboxyméthyl cellulose (CMC). Les polymères synthétiques regroupent les
polymères à base de polyéthylène, de polyacrylamide et de vinyle [KHA03].
Le mode d’action des agents de viscosité peut dépendre du type, de la concentration du
polymère utilisé. En général, on distingue trois principaux mécanismes d’action : l’adsorption,
l’association et l’entrelacement [KHA98-a].
Les polymères de certains agents de viscosité possèdent de longues chaînes (hydrophiles) qui
adsorbent et fixent les molécules d’eau de la suspension, et s’étendent dans tout le mélange.
Les agents de viscosité possèdent un rôle très important pour maintenir la stabilité des
mélanges cimentaires. Ils assurent une cohésion entre les différentes phases d’un mélange,
augmentant ainsi la résistance à la ségrégation des mélanges, et empêchent les mouvements
libres d’eau, réduisant le ressuage [KHA98-a][ROL99].
Ainsi, ces polymères augmentent la viscosité de l’eau et entraînent l’augmentation de la
viscosité globale du mélange. Par ailleurs, certaines molécules de chaînes adjacentes peuvent
développer des forces d’attraction, bloquant par cette association le mouvement de l’eau dans
la suspension. Par conséquent une gélification peut se produire dans la suspension et
l’écoulement devient plus difficile (augmentation de seuil de cisaillement et de viscosité).
L’entrelacement des polymères se produit généralement à faible gradient de vitesse de
cisaillement et surtout lorsque la concentration des polymères est élevée dans le mélange. Les
chaînes s’entrelacent et s’enchevêtrent, provoquant une augmentation de la viscosité du
mélange. L’entrelacement peut être disloqué à gradient de vitesse de cisaillement élevé ; les
chaînes des polymères s’alignent ainsi dans la direction du cisaillement, et le mélange peut
présenter une rhéo-fluidification (diminution de viscosité) [KHA98-a].
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 59
Au niveau rhéologique, ils agissent en augmentant à la fois le seuil de cisaillement et la
viscosité des mélanges [KHA98-a,03][ROL99][LAC04].
cimentaires (augmentation de viscosité). Ainsi, les adjuvants à base
de s n suspen organ
e dispersée dans l’eau et très hydrophile [COL01 Les
particu s de cet a ètre co 5 et
50 nanomètres et de grande surface spécifique (80-1000 m
repor us le nom de na la fumée de s o-
silic icules cromètre [COL01]. Cet
adjuvant agit essen m élange cimentaire, et
augmente la viscosité de la ph
6.2. Adjuvants à base de silice précipitée
Considérée comme addition minérale, la fumée de silice a été utilisée pour la formulation des
bétons autoplaçants en combinaison avec les superplastifiants. La demande en eau importante
de cette addition (voir §4 additions minérales) lui permet de modifier le comportement
rhéologique des mélanges
ilice précipitée e
silice ultrafine amorph
sion, sont des agents de viscosité non iques, sous forme de
,02,03,04].
les solide djuvant sont sphériques (figure 2.8), de diam2
mpris entre
/g) [COL01,03][JAL04]. Il est
no-silice, en comparaison àté souvent so ilice, ou la micr
e, dont les part
tielle
ont un diamètre compris entre 0,1 et 1 mi
ent par adsorption des molécules d’eau du m
ase liquide et du mélange.
Figure 2.8 : particules de Silice amorphe précipitée (5-50 nm) observées au Microscope Electronique à Transmission (MET) [COL01]
Collepardi et al [COL01,02,03,04] et Rols et al [ROL99] ont étudié le rôle joué par les
adjuvants à base de silice amorphe précipitée dans la formulation des nouveaux bétons,
notamment les bétons autoplaçants. Les auteurs ont montré que la nano-silice précipitée en
suspension a une influence comparable aux différents agents de viscosité à base de
polysaccharides hydrosolubles. En effet, elle augmente considérablement la résistance à la
ségrégation des bétons et réduit le ressuage. Par ailleurs, ils ont trouvé qu’elle permet
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 60
d’augmenter le niveau de tolérance sur les erreurs concernant la quantité d’eau ajoutée dans la
formulation des bétons autoplaçants, en maintenant la stabilité du béton [COL01,03,04]. La
durabilité des bétons autoplaçants n’est pas affectée par l’ajout de cet adjuvant [COL02].
7. Interactions entre constituants
Nous avons constaté que pour chaque constituant, une multitude de familles ou de types peut
exister, et des différences peuvent exister même entre les éléments de chaque famille. Ainsi,
une très grande variété de constituants existe dans le marché pour la formulation des bétons
autoplaçants. L’expérimentateur ou l’opérateur, ayant l’embarras du choix, se doit de choisir
un ensemble de constituants qui conduit aux bétons possédant les meilleures performances,
prenant en compte le coût des matériaux et les besoins souhaités. Toutefois, le mélange des
différents matériaux n’est pas une opération simple, à cause des incompatibilités qui peuvent
exister entre différents constituants. Les problèmes d’incompatibilité entre matériaux, qui
peuvent être facilement détectées par des tests préliminaires se résolvent par le remplacement
des matériaux non compatibles par d’autres.
Par ailleurs, le mélange de matériaux compatibles ne conduit pas toujours aux mêmes
résultats ; des interactions (ou interactivités) éventuelles peuvent exister entre les différents
types de matériaux. Ces interactions peuvent se manifester par des synergismes ou des
antagonismes entre les constituants, et sont difficiles à détecter. Sheinn et al [SHE03] ont
observé par exemple une certaine interaction entre le superplastifiant et différents fillers. En
absence de superplastifiant, la granularité et la géométrie des particules des différentes
additions minérales a une influence importante sur les propriétés rhéologiques de la pâte de
ciment. Ceci n’est pas vrai en présence de superplastifiant dans la pâte de ciment ; les
propriétés rhéologiques semblent varier en fonction de la réactivité des particules et de
l’affinité entre superplastifiant et addition minérale [SHE03]. Ces mêmes remarques ont été
soulignées par Heirman et al [HEI03] pour des bétons autoplaçants. Par ailleurs, Juvas et al
[JUV] met en évidence une interaction entre le superplastifiant (de type PC) et le ciment ; il
montre que la variation de l’ouvrabilité des mortiers sans superplastifiant en fonction du type
de ciment est très faible, tandis que l’ajout de superplastifiant amplifie le rôle joué par le type
du ciment sur l’ouvrabilité [JUV].
Ainsi, peu d’études ont été effectuées pour mettre en évidence les interactions éventuelles
entre les matériaux des mélanges cimentaires. Les chercheurs reconnaissent le besoin d’outils
complexes et performants pour mener des études dans ce domaine, et pour l’exploitation des
Joumana
incompatibilités
Joumana
qui peuvent
Joumana
exister entre différents constituants.
Joumana
Par ailleurs, le mélange de matériaux compatibles ne conduit pas toujours aux mêmes résultats
Joumana
des interactions (ou interactivités) éventuelles peuvent exister entre les différents types de matériaux.
Joumana
antagonismes
Joumana
synergismes
Joumana
entre les constituants,
Joumana
Sheinn et al [SHE03] ont observé par exemple une certaine interaction entre le superplastifiant et différents fillers.
Joumana
absence de superplastifiant, la granularité et la géométrie des particules des différentes additions minérales a une influence importante sur les propriétés rhéologiques de la pâte de ciment.
Joumana
En
Joumana
Ceci n’est pas vrai en présence de superplastifiant dans la pâte de ciment ; les propriétés rhéologiques semblent varier en fonction de la réactivité des particules et de l’affinité entre superplastifiant et addition minérale [SHE03].
Joumana
absence de superplastifiant, la granularité et la géométrie des particules des différentes additions minérales a une influence importante sur les propriétés rhéologiques de la pâte de ciment.
Joumana
En
Joumana
Heirman et al [HEI03] pour des bétons autoplaçants.
Joumana
Ceci n’est pas vrai en présence de superplastifiant dans la pâte de ciment ; les propriétés rhéologiques semblent varier en fonction de la réactivité des particules et de l’affinité entre superplastifiant et addition minérale [SHE03].
Joumana
Juvas et al [JUV] met en évidence une interaction entre le superplastifiant (de type PC) et le ciment ; il montre que la variation de l’ouvrabilité des mortiers sans superplastifiant en fonction du type de ciment est très faible, tandis que l’ajout de superplastifiant amplifie le rôle joué par le type du ciment sur l’ouvrabilité [JUV].
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 61
informations issues de ces études. La technique des plans d’expérience s’est avérée
récemment (avec le progrès pour mener des études dans
le domaine des sciences des matériaux et du génie civil [KHA99]. Cette technique apporte un
ètres influents sur les différentes
[SV
[M
con
dét
par
niv
ma
fou
per
Les plans factoriels sont idéals pour les études prenant en compte des paramètres
ou
Cet
bét paramètres étudiés sont en général les dosages des constituants, et ne peuvent
con
som
vol
fina
au
éve
8. Bilan
No
form
con
cette revue est représenté dans le tableau 2.3 sous forme de synoptique général. La dernière
informatique) d’une très bonne utilité
outil performant pour la formulation des bétons, l’étude des effets, et l’analyse des
interactions. Plusieurs auteurs ont étudié le rôle des param
propriétés des pâtes de ciment, des mortiers ou des bétons autoplaçants [KHA99][SON01,04]
E03][GOL04][PETK05]. Ils ont mis en œuvre la technique des « plans factoriels »
AT96,00] qui a pour but de relier les propriétés des mélanges cimentaires aux dosages des
stituants par des modèles mathématiques (polynômes). Cette méthode se base sur la
ermination d’une matrice d’expériences (plan factoriel) prédéfinie selon le nombre de
amètres étudiés [MAT96,00], et consiste à fixer chaque paramètre à deux ou plusieurs
eaux fixes et distincts (deux dosages par exemple). La réalisation des expériences de la
trice conduit à la détermination des coefficients du polynôme étudié. Ces études
rnissent des informations intéressantes, tout en optimisant le nombre d’essais réalisés, et
mettent d’étudier un nombre important de paramètres.
indépendants les uns des autres [COR90][MAT96,00], comme la variation de la température
du type du matériau, et ne sont pas destinés à détecter des interactions entre les paramètres.
te technique possède ses limites dans le cas des mélanges cimentaires (pâtes, mortiers ou
ons) où les
pas être indépendants. En effet, dans un mélange de constituants, si on varie le dosage d’un
stituant (A), le dosage d’un autre constituant (B) au moins va être changé puisque la
me des dosages (volumiques) finaux doit respecter l’unité (la somme des proportions
umiques est toujours égale à l’unité). Ainsi l’information issue de cette variation dépend
lement des deux actions (variation des dosages des deux constituants A et B), et l’attribuer
premier constituant consiste à ignorer l’effet de l’autre constituant et de l’interaction
ntuelle entre les deux.
us avons effectué une revue générale sur les rôles des constituants influents dans la
ulation des bétons autoplaçants et décrit les mécanismes d’action des différents
stituants, ainsi que l’influence des paramètres principaux sur l’écoulement. Un bilan de
Joumana
ètres influents sur les différentes [SV Plusieurs auteurs ont étudié le rôle des param propriétés des pâtes de ciment, des mortiers ou des bétons autoplaçants [KHA99][SON01,04] E03][GOL04][PETK05].
Joumana
[M con technique des « plans factoriels » AT96,00] qui a pour but de relier les propriétés des mélanges cimentaires aux dosages des stituants par des modèles mathématiques (polynômes).
Joumana
dét par niv Cette méthode se base sur la ermination d’une matrice d’expériences (plan factoriel) prédéfinie selon le nombre de amètres étudiés [MAT96,00], et consiste à fixer chaque paramètre à deux ou plusieurs eaux fixes et distincts (deux dosages par exemple).
Joumana
Les plans factoriels sont idéals pour les études prenant en compte des paramètres ou Cet bét paramètres étudiés sont en général les dosages des constituants, et ne peuvent indépendants les uns des autres [COR90][MAT96,00], comme la variation de la température du type du matériau, et ne sont pas destinés à détecter des interactions entre les paramètres. te technique possède ses limites dans le cas des mélanges cimentaires (pâtes, mortiers ou ons) où les pas être indépendants.
Partie I - Chapitre 2 : Constituants et paramètres influents 62
colonne exprime l’influence de l’augmentation du dosage du constituant ou de la valeur du
amètre correspondant.
Constituants et amètres principaux Rôles principaux dans la formulation
Influence sur le seuil de cisaillement et la
viscosité
par
par
Eau (E) Fluidité et hydratation (lié à la concentration volumique en solides et au rapport E/C) Diminution
Ciment (C) Liant (lié à la concentration volumique en solides et au rapport E/C) Augmentation
Concentration lumique en solides
Encombrement, plus de frictions entre les particules Augmentation vo
Granulats Réduction du coût du béton, performances mécaniques variables selon le type Selon le type
Additions minérales Optimisation du squelette granulaire du béton, avantages environnementaux et économiques
Selon le type (demande en eau)
Filler calcaire (F) Amélioration de l’écoulement au dessous du dosage critique Dépend du dosage
Su ation, dispersion des particules de ciment Diminution perplastifiants (SP) Déflocul
Agents de viscosité (AV) Résistance à la ségrégation, cohésion Augmentation
Tableau 2.3 : Rôles des principaux paramètres dans l’écoulement et la formulation des BAP
Ce tableau ne reporte pas l’influence des paramètres sur les propriétés des bétons autoplaçants
à l’état durci. Le rapport E/C, qui a une influence importante sur les propriétés mécaniques et
de durabilité des bétons et qui est un paramètre déterminant sur les propriétés d’écoulement,
est pris en compte par le paramètre concentration volumique en solides (en raison de la
quantité importante de fines minérales dans les BAP).
Des analyses et exploitations statistiques sont rarement entreprises pour étudier les rôles joués
par les paramètres influents sur l’écoulement des bétons autoplaçants. La plupart des
chercheurs privilégient des démarches classiques (paramétriques) pour décrire les rôles des
constituants des bétons, et peu d’auteurs ont exploité les potentialités des techniques et
méthodes statistiques, notamment ceux qui ont utilisé les plans d’expériences. Nous précisons
que les méthodes principales reportées dans la littérature utilisent les plans factoriels qui sont
performants mais loin d’être idéals dans le domaine des mélanges.
Joumana
méthodes
Joumana
les
Joumana
principales reportées dans la littérature utilisent les plans factoriels qui sont performants mais loin d’être idéals dans le domaine des mélanges.
Synthèse de la partie I 63
SYNTHESE DE LA PARTIE I
Dans le cadre de l’analyse bibliographique de cette première partie, nous soulignons des
éléments importants qui ont orienté notre trava
1. Le béton autoplaçant (BAP) est un béton ogène, et qui se met en place
sans vibration. Les principales propriétés d’ouvrabilité d’un BAP sont le remplissage, la
résistance à la ségrégation et la capacité de passage. Un béton est qualifié d’autoplaçant
lorsque ces trois critères sont vérifiés, et sa caractérisation nécessite la mise en place de
tests complémentaires pour observer les différentes facettes de l’autoplacibilité à l’état
frais. Par ailleurs, les p cipalement
reliées au faible seuil
de cisaillement pour permettre l’écoulement sous l’effet de gravité, et par une viscosité
su ent
ré urs
auteurs.
2. Les approches de formulation des bétons a plaçants n’ont pas été développées pour des
BAP contenant des agents de viscosité. Cet adjuvant peut en effet modifier les propriétés
d’écoulement du béton, et entraîne un le changement des dosages des autres constituants
des BAP.
3. Les propriétés rhéologiques et d’ouvrabilité du béton sont très dépendantes de celles de sa
pâte de ciment ou de son mortier. Nous remarquons d’une part, que le béton est considéré
comme un mélange diphasique (phase liquide + phase solide) selon l’échelle choisie
rhéologique est possible sur toutes ces phases liquides, et permet d’obtenir des
informations sur les constituants entrant dans une formulation de BAP. D’autre part, la
conception d’une pâte autoplaçante est un critère de base pour obtenir un béton d’une
bonne ouvrabilité, puisqu’elle contrôle la fluidité et la résistance à la ségrégation du béton.
Par conséquent, réaliser un béton autoplaçant passe nécessairement par une étude au
niveau de la pâte. Cette hypothèse est confirmée par les principes de formulation décrits
dans les approches de formulation de BAP, qui nécessitent très souvent des corrections sur
les dosages des constituants (principalement SP et E/C) afin d’optimiser l’écoulement des
bétons.
il.
très fluide, hom
ropriétés rhéologiques d’un béton autoplaçant sont prin
seuil de cisaillement et à la viscosité. Un BAP est caractérisé par un
ffisante pour améliorer la résistance à la ségrégation et l’homogénéité. Son écoulem
pond généralement au comportement de type Herschel-Bulkley, observé par plusie
uto
Joumana
ailleurs, les p cipalement reliées au ropriétés rhéologiques d’un béton autoplaçant sont prin seuil de cisaillement et à la viscosité.
Joumana
faible seuil un
Joumana
de cisaillement
Joumana
ffisante
Joumana
su
Joumana
viscosité
Joumana
pour améliorer la résistance à la ségrégation et l’homogénéité.
Joumana
Les approches de formulation des bétons a plaçants n’ont pas été développées pour des BAP contenant des agents de viscosité. uto
Joumana
Cet adjuvant peut en effet modifier les propriétés d’écoulement du béton, et entraîne un le changement des dosages des autres constituants des BAP.
Joumana
liquide + phase solide)
Joumana
phase
Joumana
mélange diphasique
Joumana
pâte autoplaçante est un critère de base pour obtenir un béton d’une bonne ouvrabilité, puisqu’elle contrôle la fluidité et la résistance à la ségrégation du béton.
Joumana
d’une
Synthèse de la partie I 64
4. L’utilisation de méthodes mathématiques comme la technique des plans d’expériences
a tres
principaux sur l’écoulement des bétons autoplaçants, et pour mettre en évidence les
ctions. Cependant, il est nécessaire d’adopter une technique plus
performante que les plans factoriels et qui sera en mesure de traiter des paramètres non
cher à
hiérarchiser le rôle joué par les constituants des pâtes de ciment sur les propriétés
une stratégie expérimentale pour la caractérisation rhéologique de toute une gamme de pâtes.
ons souligné ses limites nous effectuons dans un premier temps une
démarche paramétrique partant de l’eau jusqu’au mélange complet. Pour prendre en compte la
ité, la technique du plan de mélange est mise en
l’ass ’un s c
d’un utoplaçan faire, il est nécessaire de caractériser les distributions
gr te fin, sons une appro le dans le cas des fine,
l’analyse de xcès vise à
roposer une méthodologie de formulation des BAP.
pporte une aide précieuse pour comprendre l’influence des constituants et des paramè
éventuelles intera
indépendants, comme les dosages (proportions volumiques) des constituants d’un
mélange.
5. Très peu d’études ont permis de souligner des interactivités entre constituants, ou de
dégager un constituant (ou paramètre) dominant et déterminant par rapport aux autres
constituants des mélanges cimentaires. Dans cette direction, nous essayerons de cher
d’écoulement. Pour ce faire, nous mettrons en œuvre des techniques d’exploitation et
d’analyse statistiques qui nous seront fortement utiles pour traiter le nombre relativement
élevé des paramètres influents.
Compte tenu de ces observations notre plan de travail se compose de deux parties : l’étude à
l’échelle de la pâte de ciment et l’association pâte – squelette granulaire.
Dans une deuxième partie concernant la pâte de ciment entrant dans la composition d’un BAP
nous donnons d’abord les informations sur les constituants employés. Nous adoptons ensuite
Bien que nous ay
variation des dosages dans un volume un
œuvre dans un deuxième temps. Elle permet notamment de mettre en évidence des
interactivités entre constituants et de définir une pâte aux caractéristiques autoplaçantes.
Dans la troisième et dernière partie du mémoire, nous étudions dans quelle mesure
ociation d quelette granulaire à une pâte autoplaçante peut onduire à l’obtention
béton a t. Pour ce
anulaires. A cet nous propo che origina bétons. In
l’interaction pâte-granulats basée sur la théorie de la pâte en e
p
Joumana
technique des plans d’expériences
Joumana
tres principaux sur l’écoulement des bétons autoplaçants, et pour mettre en évidence les ctions. aide précieuse pour comprendre l’influence des constituants et des paramè éventuelles intera
Joumana
plans factoriels
Joumana
Très peu d’études ont permis de souligner des interactivités entre constituants,
Joumana
dégager un constituant (ou paramètre) dominant et déterminant par rapport aux autres constituants des mélanges cimentaires.
Joumana
ou de
Joumana
hiérarchiser le rôle joué par les constituants des pâtes de ciment sur les propriétés d’écoulement.
Joumana
l’échelle de la pâte de ciment et l’association pâte – squelette granulaire.
Joumana
démarche paramétrique partant de l’eau jusqu’au mélange complet.
Joumana
l’ass ’un s c d’un utoplaçan dans quelle mesure ociation d quelette granulaire à une pâte autoplaçante peut onduire à l’obtention béton a
Joumana
l’ass ’un s c d’un utoplaçan dans quelle mesure ociation d quelette granulaire à une pâte autoplaçante peut onduire à l’obtention béton a t.
Joumana
nous étudions
Joumana
nécessaire de caractériser les distributions gr anulaires.
Joumana
xcès vise à roposer une méthodologie de formulation des BAP. l’interaction pâte-granulats basée sur la théorie de la pâte en e p
Joumana
l’analyse de xcès vise à roposer une méthodologie de formulation des BAP. l’interaction pâte-granulats basée sur la théorie de la pâte en e p
PARTIE II : ETUDE DES
SUSPENSIONS CIMENTAIRES
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 66
CHAPITRE 3 – MATERIAUX ET METHODES : PATES DE CIMENT
1.
Ce chapitr nte d’abor
d’entrer dans la compositio
( ituent ce qu’on appelle la pâte
ur la
caractérisation des propriétés d’écoulement des pâtes de ciment. Ainsi, nous détaillons les
différents outils uti entales.
ctuée avec l’Ecole Nationale Supérieure des Techniques et
ec les études menées au LMDC,
un autre programme expérimental a été défini au sein de l’ENSTIMAC pour étudier les
2. Matériaux
2.1. C ent (C) et Filler calcaire (F
Le cim est un CEM I vre), l’addi
de Cl Provençale). L iques et l’analyse yenne
(fluo de ces poudres s ment dans les tableaux 3.1.a et 3.1.b.
M Masse volumiqu cifique (BET N2)
Introduction
e prése d les principales caractéristiques des matériaux fins susceptibles
n d’un béton autoplaçant {ciment (C), filler (F), superplastifiant
) et eau (E)}, et qui mélangés, constSP), agent de viscosité (AV
de ciment. Nous exposons ensuite les différentes méthodes mises en œuvre po
lisés, les procédures, les conditions et les échéances expérim
Dans le cadre de plusieurs projets visant la compréhension de l’aptitude à l’écoulement des
BAP, une collaboration a été effe
des Mines d’Albi Carmaux (ENSTIMAC). En complément av
paramètres rhéologiques des pâtes de ciment. Les deux établissements offrant la possibilité de
travailler sur des dispositifs d’essai différents, nous avons utilisé les mêmes matériaux et la
même procédure de préparation des mélanges. Le matériel, les procédures de mesure et les
paramètres étudiés seront détaillés dans les paragraphes correspondants à chaque programme.
im )
ent utilisé 52,5 CP2 (Lafarge, Le Ha tion est un filler calcaire
asse M (La es caractéristiques phys chimique mo
rescence X) ont données respective
atériau e Surface spé Diamètre moyen D50
Ciment 3112 kg 2/g 16,9 /m3 1,25 m µm Fill 2717 kg/m3 9 m²/g 20,6 µm er Calcaire 1,0
Tabl ire eau 3.1.a : Propriétés physiques du ciment et du filler calca
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 67
Tableau 3.1.b : Analyse chimique moyenne du ciment et du filler calcaire
2.2. Adjuvants : Superplastifiant (SP) et Agent de Viscosité (AV)
Le superplastifiant utilisé est un Glenium 27 développé par la société MBT France. Cet
adjuvant, non chloré, est à base d’éther polycarboxylique modifié. L’agent de viscosité utilisé
ractéristique Superplastifiant (SP) Agent de Viscosité (AV)
est un Meyco MS 685 développé par la société MBT France. C’est un adjuvant à base de
silice précipitée amorphe en suspension.
CaMasse volumique 1050 kg/m3 1140 kg/m3
pH 7,0 ± 1 7,0 ± 1 Extrait sec en masse 19,9% 22,0% Do e la masse du liant 0,5 à 5% de la masse du liant sage recommandé 0,3 à 2% d
Tableau 3.2 : Caractéristiques des adjuvants
Une analyse approfondie des adjuvants a été réalisée à l’Ecole Nationale Supérieure des
Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques (ENSIACET) de Toulouse. Les techniques
d’analyse utilisées et les conclusions s’y rapportant sont données dans le tableau 3.3.a (pour le
superplastifiant) et le tableau 3.3.b (pour l’agent de viscosité).
Spectrométrie infrarouge Par comparaison avec des spectres de polymères de référence : • Présence de groupements éther. • Possibilité de présence de groupement sulfate ou carboxylate
ATG - DSC Pas de zones cristallines (organisées)
Spectrométrie RMN 13C Un seul type de liaison identifié : CH2-O Motifs possibles du polymère : -(CH2-O)n-, -(CH2-O-CH2)n-
Tableau 3.3.a : analyses menées sur le superplastifiant
Joumana
non chloré, est à base d’éther polycarboxylique modifié.
Joumana
Glenium 27
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 68
L’ensemble des analyses menées sur le superplastifiant montrent que c’est un polymère au
motif simple du type polyoxyéthylène (POE) avec probablement une terminaison de type
sulfate ou carboxylate.
-3 Obtention d’une poudre blanche fine Evaporation sous vide (10 mm Hg)
EDX La poudre est uniquement composée de silice Si (absence de tout autre cation)
Spectrométrie infra rouge Présence des raies (OH) et Si-O : la silice est hydroxylée en surface (haut pouvoir solubilisant)
Microscopie électroniqubalay
e à age A x10000, agglomérats de particules de l’ordre de 100 nm
Tableau 3.3.b : analyses menées sur l’agent de viscosité
L’agent de v sentent pas iscosité est donc constitué de particules de silice hydroxylée qui ne pré
d’arrangement à longue distance.
3. Méthodes de préparation des pâtes de ciment
Deux malaxeurs sont utilisés pour la préparation des pâtes, du même type (DITO SAMA) au
LMDC et à l’ENSTIMAC. Nous présentons dans le tableau suivant (tableau 3.4) la procédure
expérimentale utilisée pour le malaxage de toutes les pâtes cimentaires. Les constituants,
stockés à 20°C ± 1°C, sont préparés pour la réalisation de 1 litre de mélange. La durée totale
de la procédure est de 5 minutes.
Instant Etape Durée - Vitesse - Ajout E, AV et 1/3 SP 30 s – petite vitesse
T0 Ajout C 30 s – petite vitesse T + 30 s Ajout F 30 s – petite vitesse 0
T0 + 60 s Passage à grande vitesse 30 s – grande vitesse T0 + 90 s Arrêt et raclage du bol 30 s – arrêt T0 + 120 s Reprise du malaxage 60 s – grande vitesse T0 + 180 s Ajout 2/3 SP 15 s – petite vitesse T0 + 195 s Passage à grande vitesse 105 s – grande vitesse T0 + 300 s Fin du malaxage -
Tableau 3.4 : Procédure de malaxage des pâtes de ciment
4. Consistance de la pâte de ciment : aspect visuel
Une observation visuelle est effectuée sur tous les mélanges (programmes LMDC et
ENSTIMAC) ainsi qu’une inspection manuelle avec la truelle, destinées à noter l’aspect de la
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 69
p
Nous avons défini trois types de consistance de pâte de ciment : fluide, plastique et ferme.
Un aspec s fluide,
Un aspect plastique est noté lorsque le mélange présente les caractéristiques d’un corps
moins fluide, homogène et qui se remet en place lentement après le passage de la truelle.
use de la forte consistance de ce type de
esure de l’appareil est dotée de deux ressorts montés en série et mesurant
respectivement des couples résistants de 0,005 à 0,05 N.m. Les vitesses de rotation
disponibles
âte. Nous avons rejeté tous les mélanges qui présentent une sédimentation. En effet, les
mesures rhéologiques ne sont plus représentatives à cause de l’hétérogénéité de tels mélanges
(accumulation des particules au fond du stator).
La sédimentation peut être observée lors de l’essai du mini-cône par un halo de laitance en
périphérie de la galette. La sédimentation peut également être observée en versant le mélange
dans un bol : une partie très concentrée peut se décanter à la partie inférieure du mélange, et
une phase liquide blanchâtre peut surnager le mélange.
la
t fluide est noté lorsque le mélange présente les caractéristiques d’un corp
homogène et qui se remet en place très vite après le passage de la truelle.
Un aspect ferme est noté lorsque le mélange ne s’écoule pas d’une façon continue (mais d’un
seul bloc). Le passage de la truelle est difficile à ca
mélange.
5. Programme LMDC
5.1. Matériel de mesure rhéologique
Les essais rhéologiques effectués au sein du LMDC sont réalisés avec un viscosimètre à
vitesse imposée HAAKE de type Rotovisco RV2, en configuration de type couette à cylindres
coaxiaux.
La tête de m
2 [de 1 tour par minute (tr/min) à constituent une série géométrique de raison
724 tr/min]. Toutes ces vitesses peuvent être réduites par un facteur 0,1 ce qui constitue une
autre série géométrique de même raison [de 0,1 tr/min à 72,4 tr/min]. Cela est nécessaire dans
notre étude puisque nous devrons caractériser l’écoulement de pâtes de ciment de
consistances variant de très fluides à très fermes. Cet appareil permet la mesure directe du
seuil de cisaillement statique et l’établissement de la courbe d’écoulement des pâtes
cimentaires pour le calcul des autres paramètres rhéologiques (viscosités et seuil dynamique).
Joumana
Nous avons rejeté tous les mélanges qui présentent une sédimentation.
Joumana
La sédimentation peut être observée lors de l’essai du mini-cône par un halo de laitance en périphérie de la galette.
Joumana
La sédimentation peut également être observée en versant le mélange dans un bol : une partie très concentrée peut se décanter à la partie inférieure du mélange, et une phase liquide blanchâtre peut surnager le mélange.
Joumana
La sédimentation peut être observée lors de l’essai du mini-cône par un halo de laitance en périphérie de la galette. La sédimentation peut également être observée en versant le mélange dans un bol : une partie très concentrée peut se décanter à la partie inférieure du mélange, et une phase liquide blanchâtre peut surnager le mélange.
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 70
Les paramètres rhéologiques choisis pour le programme LMDC sont le seuil de cisaillement
statique et la viscosité apparente.
5.2. Mesure du seuil de cisaillement statique
Un mobile à ailettes de type Vane est utilisé pour éviter le glissement entre la pâte et le
mobile (figure 3.1). C’est un mobile à 6 ailettes, de diamètre = 40 mm et de hauteur = 60 mm.
Il permet de mesurer le couple maximal résistant à son mouvement de rotation, qui
correspond à la contrainte nécessaire pour que la pâte vierge étudiée s’écoule. C’est le seuil de
cisaillement.
60 mm
40 mm
Figure 3.1 : mobile à ailettes pour la mesure du seuil de cisaillement
Pour mesurer le seuil de cisaillement statique, on verse un volume de pâte vierge de tout
c
diamètre et 8 cm de hauteur). Ensuite, on immerge le mobile à ailettes dans le centre du bol et
isaillement (à part le malaxage) dans un bol cylindrique vide de 0,5 litre de volume (9 cm de
on laisse reposer pendant 3 minutes (période supposée suffisante pour la restructuration de la
pâte autour du mobile). Nous avons choisi pour nos essais une vitesse de 0,4 tr/min, assez
faible pour rester dans les conditions expérimentales correspondant à un écoulement sous
gravité et suffisante pour réduire les risques de ségrégation ou de sédimentation [CYR99]. Le
seuil est atteint lorsque le mobile tourne complètement, c’est-à-dire lorsque la structure de la
suspension est totalement détruite au niveau de la surface de cisaillement qui correspond au
cylindre circonscrit au mobile. L’acquisition des données est arrêtée après avoir atteint le
couple maximal.
Un schéma type de cet essai est représenté à la figure 3.2.
Joumana
le seuil de cisaillement statique et la viscosité apparente.
Joumana
paramètres rhéologiques choisis
Joumana
mobile à ailettes de type Vane est utilisé pour éviter le glissement entre la pâte et le mobile
Joumana
Un
Joumana
mesurer le couple maximal résistant à son mouvement de rotation,
Joumana
contrainte nécessaire pour que la pâte vierge étudiée s’écoule.
Joumana
C’est le seuil de
Joumana
cisaillement.
Joumana
seuil est atteint lorsque le mobile tourne complètement,
Joumana
0,4 tr/min,
Joumana
faible
Joumana
assez
Joumana
pour rester dans les conditions expérimentales correspondant à un écoulement sous gravité et suffisante pour réduire les risques de ségrégation ou de sédimentation [CYR99].
Joumana
lorsque la structure de la suspension est totalement détruite au niveau de la surface de cisaillement qui correspond au cylindre circonscrit au mobile.
Joumana
L’acquisition des données est arrêtée après avoir atteint le couple maximal.
Joumana
3 minutes (période supposée suffisante pour la restructuration de la pâte autour du mobile).
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 71
0
0,5
1,0
1,5
oupl
ean
t (N
2,0
2,5
0 20 40 60 80t
C ré
sist
.mm
)
Couple maximal
emps (s)
Figure 3.2 : S te de ciment chéma type d’un essai de mesure de seuil de cisaillement d’une pâ
L’acquisition des données nous fournit des données brutes de temps, couple et vitesse de
rotation. Nous précisons que M, le moment total résistant à la rotation du mobile, est la
somme du moment des forces exercées sur les parois latérales du mobile et des moments des
forces exercées sur les surfaces inférieure et supérieure du mobile à ailettes (en négligeant
l’effet de la tige). Ces derniers sont déterminés en considérant une répartition linéaire des
contraintes au delà de la surface latérale du mobile, depuis le centre du mobile (figure 3.3).
Sens de rotationdu mobile
Figure 3.3 : Répartition linéaire des contraintes depuis le centre du mobile
Pour calculer la contrainte τ à la paroi du cylindre en rotation on utilise la formule suivante :
322 RHRM
⋅+⋅⋅=
ππτ (3.1)
où M est le couple maximal total résistant à la rotation du mobile, R et H sont respective
le rayon et la hauteur du cylindre cisaillé [CYR99].
Pour la mesure de la viscosité apparente de la pâte de ciment, la configuration utilisée est celle
des cylindres coaxiaux à entrefer mince. Cette mesure qui intervient juste après celle du seuil
ment
5.3. Mesure de la viscosité apparente
Joumana
0 0,5 1,0 1,5 ouple ant ( N 2,0 2,5 0 20 40 60 80 t C résist . mm) Couple maximal emps (s)
Joumana
M, le moment total résistant à la rotation du mobile, est la somme du moment des forces exercées sur les parois latérales du mobile et des moments des forces exercées sur les surfaces inférieure et supérieure du mobile à ailettes
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 72
de cisaillement nécessite une modification du dispositif utilisé. Le principe de cette mesure
consiste à cisailler la pâte de ciment entre deux cylindres coaxiaux (figu 3.4) : le cylindre
intérieur (rotor) mobile, est moleté pour éviter le glissement de la suspension et a un diamètre
re
de 18,4 mm. Le cylindre extérieur (stator) immobile, a un diamètre de 21 mm et une hauteur
de 60 mm.
18,4 mm21 mm
60 mm
Figure 3.4 : Stator (à gauche) et rotor (à droite) utilisés pour nos essais
Les propriétés rhéologiques des pâtes de ciment sont dépendantes de l’historique des
sollicitations auquel elles ont été soumises. Les pâtes de ciment sont des corps à mémoire, et
pour cette raison il est nécessaire de détruire la structure des pâtes étudiées pour s’affranchir
de la (fausse) thixotropie. Chaque mélange suit un historique de cisaillement précis, composé
de 2 cycles montée-descente en vitesse. Le premier cycle est réalisé à l’identique pour tous les
mélanges : après une montée rapide jusqu’à la vitesse maximale tolérée par l’appareillage en
n palier de 120 secondes est maintenu. Un palier de
atisé à la figure 3.5.
fonction de la consistance du mélange, u
10 secondes est ensuite maintenu pour chaque vitesse, pendant la descente. La mesure en
écoulement est effectuée sur la descente en palier de vitesse du second cycle, une fois le
matériau déstructuré grâce au premier cycle de cisaillement. Pour chaque palier de vitesse, on
attend la stabilisation du couple résistant de la matière au cisaillement induit par le rotor de
manière à se placer en condition d’écoulement en régime permanent. Un exemple d’historique
de cisaillement est schém
Joumana
Les propriétés rhéologiques des pâtes de ciment sont dépendantes de l’historique des sollicitations auquel elles ont été soumises.
Joumana
Les pâtes de ciment sont des corps à mémoire, et pour cette raison il est nécessaire de détruire la structure des pâtes étudiées pour s’affranchir
Joumana
de la (fausse) thixotropie.
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 73
0
5
5
2
5
0 200 400 600 8000
0
0
0
0
1
20
40
80
60
50
100
250
200
150
100Contrainte (Pa)
n configuration de cylindres coaxiaux
Dans la configuration de cylindres coaxiaux, on considère que la pâte au co r a la
mê ue la pâte
nul la pâte peut être à une suc sion de couches cy driques et
coaxi es de vitesses de rotation décroissantes à partir de la surface de contact avec
le ro tion égale à celle du rotor) et jusqu
ment relatif des couches les unes par rappo
l’apparition d’un gradient de vitesse de cisaillem ent en
chaque point de la suspension.
Les ches cylindriques de l’échant ar le xe
symétrie, la contrainte
Gradient de vitesse (s-1)
Temps (s)
Figure 3.5 : Exemple d’historique de cisaillement d’une pâte e
ntact du roto
me vitesse de rotation que ce dernier, alors q vitesse de la au contact du stator est
le. De ce fait,
ales, animé
assimilée ces lin
tor (vitesse de rota ’à zéro au contact du stator. Par
conséquent ce mouve rt aux autres entraîne
ent et d’une contrainte de cisaillem
différentes cou illon sont repérées p ur distance r à l’a
( )rτde rotation (figure 3.6). Par raison de et le gradient de vitesse de
cisaillement ( )rγ& sont constants sur toute la surface d’une couche, mais dépendent de sa
position r.
La contrainte de cisaillement ( )rτ est calculée par la relation suivante [COU00]
( )hr
Mr⋅⋅
= 22πτ (3.2)
Le gradient de vitesse de cisaillement ( )rγ& est obtenu en rapportant la différence de vitesse de
déplacement ωd à la distance dr s t deux couches cylindriques consécutives, par la
relation suivante [COU00] :
éparan
Joumana
éparan
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 74
drdrr ωγ ⋅=)(& (3.3)
R1r
R2
Rotor (moleté) Stator
ω0
Entrefer
Figure 3.6 : Schématisation du dispositif des cylindres coaxiaux
Il est donc nécessaire de connaître l’état de la répartition de la vitesse de rotation dans la
suspension, qui est elle même dépendante des propriétés rhéologiques de cette suspension.
Comme nous travaillons sur des suspensions de pâtes dont les propriétés rhéologiques nous
sont inconnues avant d’effectue t
stator nous permet de résoudre ce problème. En effet dans cette configuration le gradient de
r la mesure, l’utilisation d’un entrefer mince entre rotor e
vitesse est considéré constant entre le stator et le rotor. Cette approximation nécessite une
condition importante entre les dimensions (rayons) des cylindres :
1<<<=−
xR
RR RotorStator Rotor
(3.4)
RStator et RRotor sont les rayons respectifs du stator et du rotor.
En pratique, il est déconseillé de dépasser x = 0,15. Pour notre dispositif expérimental la
condition précédente est respectée, l’entrefer entre stator et rotor est de 1,3 mm.
Dans ce cas, le gradient de vitesse est lié directement à la vitesse de rotation du rotor 0ω par
la formule suivante [COU00] :
⎟⎟⎞
⎜⎜⎛
=Stator
RR
ln
0ωγ&
⎠⎝ Rotor
(3.5)
Joumana
nécessaire de connaître l’état de la répartition de la vitesse de rotation dans la suspension, qui est elle même dépendante des propriétés rhéologiques de cette suspension.
Joumana
⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ = Stator R R ln 0 ω γ & ⎠ ⎝ Rotor
Joumana
1 <<< = − x R R R Rotor Stator Rotor
Joumana
déconseillé de dépasser x = 0,15.
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 75
En utilisant cette même approximation, on peut admettre que la contrainte de cisaillement
demeure constante dans l’entrefer :
22
21
22
21
4 RRRR
hM
⋅+
⋅⋅
=π
τ (3.6)
Après traitement de les transformer en
itesse de cisaillement
s données brutes (couple, vitesse de rotation) pour
données rhéologiques (contrainte τ, gradient de v γ& ), on en déduit la
viscosité apparente appµ des mélanges pour chaque gradient de vitesse γ& par l’équation 3.7 :
γτµ&
=app (3.7)
La contrainte de cisaillement et le gradient de vitesse sont déterminés en calculant la moyenne
des dix derniers points de mesures sur chaque palier de vitesse, lorsque le régime de
l’écoulement est considéré comme permanent (stabilisation du couple résistant).
Dans le cadre de nos essais, nous sommes amenés à réaliser des mélanges de consistances
allant de très fluides à très fermes. Dans certains cas de mélanges fermes, il est très difficile
d’atteindre des vitesses de rotation élevées du rotor, accessibles dans le cas des mélanges
fluides, parce que l’appareil atteint ses limites de mesures (le couple résistant étant très élevé).
Par contre, pour les mélanges très fluides, des gradients de vitesse très faibles (au dessous de
4s-1 par exemple) favorisent la sédimentation de la suspension. Pour cette raison, on
présentera deux viscosités, calculées aux gradients de vitesse de 4s-1 et 18s-1. Ces 2 valeurs
correspondent en fait aux limites communes à tous les mélanges réalisés, respectivement
inférieure et supérieure. Dans la pratique, elles correspondent à des ordres de grandeur
courants de mise en œuvre du béton [TOUS01][SAA01] : 4s-1 représente un coulage classique
dans des coffrages, 18 s-1 représente plutôt une situation de pompage.
5.4. Es
ramme LMDC, il s’agit du mini-cône. Ce
de mesurer le diamètre d’étalement d’un volume de pâte de ciment sur
une plaque horizontale. Cet essai est facile à mettre en œuvre, il est effectué directement après
la fin du malaxage de la pâte de ciment. Le volume de pâte nécessaire pour cet essa
inférieur à 40 ml.
sai d’ouvrabilité : mini-cône
Un test d’ouvrabilité est mis en œuvre pour le prog
matériel (figure 3.7) dispose de dimensions proportionnelles à celles du cône d’Abrams
[KAN80]. Il permet
i est
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 76
19 mm
38 mm
57 mm
Dimensions du mini-cône
n s. En effet les facteurs les plus importants sont l’ordre des essais et l’âge de
ant (tableau 3.5) présente les différentes étapes expérimentales
suivies pour un mélange type, ainsi que l’instant où cet essai intervient, la durée totale
(y c
t nt) et les
grandeurs mesurées.
présente les grandeurs utilisées comme éléments principaux
ponses correspondantes.
t
Figure 3.7 :
5.5. Echéances d’essais
La procédure expérimentale engagée pour un mélange doit se faire d’une façon identique pour
tous les méla ge
l’échantillon. Le tableau suiv
approximative de l’étape ompris le changement de dispositif de mesure entre les mesures
de seuil de cisaillement statique et de l’établissemen de la courbe d’écouleme
La dernière colonne du tableau
du programme LMDC, appelées réponses d’étude. Les expressions entre parenthèse sont les
notations utilisées pour exprimer les ré
Nom de l’étape Instan Durée totale Grandeurs mesurées
Se ent t0 3 min uil de cisaillemstatique + 5 minutes Couple résistant Seuil de cisaillement
(Seuil)
Courbe écoulement td’
Viscosités apparentes :
à 18 s-1 (Visma) 0 + 8 min 15 minutes
Contrainte Gradient de vitesse
à 4 s-1 (Vismi)
(l’instant t0 correspond à la fin du malaxage)
Tableau 3.5 : Procédure expérimentale totale pour un mélange type (LMDC)
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 77
Le terme t0 indique l’instant où le malaxage de la pâte de ciment est terminé, on considère que
l’âge de la pâte tous les essais
rhéologiques sont effectués dans les 20 minutes qui suivent la fin du malaxage, et comme la
une pâte de ciment dure à peu près une heure, on considère que les
variations des propriétés rhéologiques pendant cette procédure expérimentale sont
sont réalisés grâce à un rhéomètre Haake de
s la suspension.
commence à évoluer à partir de cet instant. Comme
phase dormante dans
négligeables. La durée totale de toute la procédure expérimentale varie entre 38 et 42 minutes
pour un mélange type donné.
6. Programme ENSTIMAC
6.1. Matériel de mesure rhéologique
Les essais rhéologiques effectués à l’ENSTIMAC
type Rheostress RS 150. Cet appareil peut fonctionner en vitesse imposée ou en déformation
imposée ainsi qu’en contrainte imposée. Destiné initialement à étudier des suspensions
fluides, ce dispositif se caractérise par une facilité d’utilisation, d’une grande sensibilité de
mesure et d’un contrôle automatique de la température dan
36 mm
38 mm
12 mm12 mm
Figure 3.8 : Mobile double ruban hélicoïdal du viscosimètre Rheostress RS 150
Un mobile double ruban hélicoïdal est utilisé pour mesurer les différentes propriétés
rhéologiques. Grâce à sa géométrie, ce mobile est capable de maintenir l’homogénéité de la
suspension en empêchant la sédimentation. Les détails du mobile sont représentés dans la
figure 3.8, l’épaisseur du ruban hélicoïdal étant de 4 mm.
L’historique type subi pour l’ensemble des mélanges réalisés à l’ENSTIMAC est conçu de
manière similaire à celui utilisé au LMDC. Une montée linéaire en contrainte imposée de 0 à
50 Pa pendant 20 secondes est destinée à déterminer le seuil de cisaillement statique. Ensuite
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 78
une montée linéaire en gradient de vitesse imposé de 0 à 100 s-1 pendant 30 secondes, suivie
d’un palier à 100 s-1 de 120 secondes de temps, puis d’un passage à des paliers de 20 secondes
pour les gradients de vitesse de 80, 70, 50, 30, 18, 10 et 4 s-1, constituent le premier cycle de
destruction de la suspension. Un second cycle de montée-descente, avec des paliers de 30
secondes (au lieu de 20 secondes) est destiné
suspension afin de déterminer ses paramètres rhéologiques.
à établir la courbe d’écoulement de la
Pendant toute cette opération la température est maintenue constante à 20°C, la durée totale
de l’opération est de 670 secondes (soit 11 minutes et 10 secondes). La figure 3.9 représente
un exemple de l’historique utilisé.
100150
Gradient de vitesse (s-1) Contrainte (Pa)
0
25
0
25
50
75
50
5
00
125
Temps (s)
’écoule, au moment où
le gradient de vitesse commence à augmenter figure 3.10.
7
1
Figure 3.9 : Exemple d’un historique de cisaillement
6.2. Mesure du seuil de cisaillement statique
Le couple seuil statique est mesuré grâce à la première étape de l’historique de cisaillement,
lorsque la pâte est considérée vierge de toute sollicitation. Nous avons choisi d’utiliser une
configuration en contrainte imposée ; nous augmentons progressivement le couple de
cisaillement de 0 à 50 Pa pendant une période de 20 secondes (ou de 0 à 100 Pa pendant une
période de 40 secondes pour les mélanges plus fermes). Le seuil de cisaillement statique
correspond au couple de cisaillement à partir duquel la pâte de ciment s
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 79
0
20
40
60
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Con
train
te d
e ci
saill
emen
t (Pa
100
80
Gradient de vitesse (1/s)
Figure 3.10 : exemple de mesure de seuil de cisaillement statique (80 Pa)
6.3. Etablissement de la courbe d’écoulement
Les propriétés d’écoulement des pâtes de ciment de notre étude sont décrites par l’équation de
Herschel-Bulkley :
= .8)baγτ &+0 τ (3
où γττ &,, sont respectiv0 ement ntrainte de nt à
gradient de vitesse nul (seuil de dient de vite
la contrainte de cisaillement, la co cisailleme
cisaillement dynamique), et le gra sse γ& . Les
coefficients a, b et 0τ sont ca arrés entre leurs
théoriques et e
Grâce au calibrage du rhéomètre utilisé, nous obtenons directement les valeurs de la
ai ment, ce qui nous permet d’établir la courbe d’écoulement de la
).
Il correspond à l’extrapolation de cette équation à un gradient de vitesse nul, ce qui est
lculés par la méthode des moindres c les va
xpérimentales de la contrainte de cisaillement.
contr nte de cisaille
suspension étudiée.
6.3.1. Seuil de cisaillement dynamique
Le seuil de cisaillement dynamique dépend de l’équation de Herschel-Bulkley (Equation 3.8
exprimé par 0τ .
Partie II - Chapitre 3 : Matériaux et méthodes : pâtes de ciment 80
6.3.2. Viscosité apparente
La viscosité apparente appµ est définie comme étant le rapport entre la contrainte de
cisaillement τ et le gradient de vitesse de cisaillement γ& (voir §4.3, équation 3.7).
6.4. Echéances d’essais
Pour les essais effectués à l’ENSTIMAC la procédure expérimentale est assez comparable à
celle suivie au LMDC (Tableau 3.6).
Nom de l’étape Instant Durée totale Grandeurs mesurées Réponses d’étude
Préparation des matériaux - 10 minutes masse des
matériaux Incertitudes de mesure
Malaxage des matériaux - 5 minutes - -
Aspect visuel - - - Consistance
Mesures rhéologiques t0 11 minutes
Couple résistant Vitesse de rotation
Seuils de cisaillement (statique et dynamique)
Viscosité apparente (l’instant t0 correspond à la fin du malaxage)
Tableau 3.6 : Procédure expérimentale totale pour un mélange type (ENSTIMAC)
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 81
CHAPITRE 4 – ANALYSE PARAMETRIQUE
1. Introduction
Ce chapitre a pour objectif de dé rche suivie dans
effectuée avec l’Ecole d ines d i-Carma (ENSTIMAC). Cette étude e à étud le
par les différents consti ts et le s do s la c
pla sur le opriété éologiqu s de s co tionnés. Les matériaux
ramme sont le ciment (C), le Filler Calcaire (F), le superplastifiant (SP),
l’ (AV) et l’eau (E) qui sont définis dans le chapitre 3. Ils sont identiques à
ceux utilisés dans le pro
re la démarche paramétrique utilisée, ainsi que l’ensemble des
laquelle nous consacrerons un chapitre entier (chapitre 5).
ants
(E + SP par exemple) aux mélanges complets de 5 constituants (E + SP + AV + C + F). En
pratique, nous avons choisi d’effectuer l’étude sur 3 paramètres : le dosage en liant L (C+F),
le dosage en es dosages
correspondent aux proportions volumiques des constituants dans le mélange. Le liant est
constitué de 80% de ciment et de 20% de filler en volume, ce qui fait que le filler occupe un
volume de 25% de celui du ciment. le filler est dosé à 22% de la masse du ciment. Un
quatrième paramètre découle de ce choix, la concentration volumique en solides du mélange.
Ce dernier correspond implicitement au dosage de l’eau dans le mélange.
Ainsi, nous avons choisi de fixer ces paramètres à différents niveaux, et d’effectuer un
programme prenant en compte toutes les combinaisons possibles. Le dosage du liant L dans la
suspension est fixé à deux niveaux, 50% et 55% du volume de la pâte. Le dosage de l’agent
de viscosité est fixé à 3 niveaux, 6%, 12% et 18% du volume du mélange. Le dosage du
superplastifiant est fixé à 3 niveaux, 1%, 3% et 6% du volume du mélange. Ces niveaux ont
crire la déma le cadre de la collaboration
es M 'Alb ux vis ier
rôle joué tuan ur sages entrant dan omposition d’un
béton auto çant s pr s rh e s mélange nfec
utilisés dans ce prog
agent de viscosité
gramme LMDC.
Nous décrivons dans ce chapit
mélanges testés et les résultats obtenus. L’analyse des résultats conduira à comprendre le rôle
des différents paramètres, et permettra de mettre en œuvre une stratégie convenable pour
2. Approche
Dans ce programme, nous avons adopté une démarche paramétrique visant à étudier
l’influence des différents paramètres en passant successivement de mélanges de 2 constitu
agent de viscosité AV et le dosage en superplastifiant SP. L
Joumana
Cette étude e à étud le par les différents consti ts et le s do s la c pla sur le opriété éologiqu s de s co tionnés. vis ier rôle joué tuan ur sages entrant dan omposition d’un béton auto çant s pr s rh e s mélange nfec
Joumana
ciment (C), le Filler Calcaire (F), le superplastifiant (SP), l’ (AV) et l’eau (E) agent de viscosité
Joumana
50% et 55% du volume de la pâte.
Joumana
le filler est dosé à 22% de la masse du ciment.
Joumana
Le liant est
Joumana
constitué de 80% de ciment
Joumana
20% de filler en volume,
Joumana
le filler occupe un
Joumana
de 25% de celui du ciment.
Joumana
volume
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 82
été choisis ap es dosages rès la réalisation de mélanges préliminaires ; ils couvrent la plage d
utilisés pour composer des pâtes de ciment de propriétés rhéologiques mesurables, et sont
compris dans la plage de dosage recommandée par les fabricants.
SP / AV SP+AV SP+AV
E E E L
E
Fluides Pâte de ciment
Figure 4.1 : Approche expérimentale paramétrique
Les étapes de l’approche expérimentale sont illustrées à la figure 4.1. Partant de l’hypothèse
que l’eau est un constituant de base de toute suspension, un premier test est mené uniquement
avec de l’eau. Ensuite, nous réalisons des suspensions fluides constituées uniquement de
mélanges d’eau, de superplastifiant, et/ou de l’agent de viscosité (sans liant). Le tableau 4.1
présente toutes les formulations de suspensions fluides (E+SP, E+AV et E+SP+AV). Nous
précisons que le dosage de E n’est pas fixé au départ ; il est une conséquence des dosages des
Seuil de cisaillement statique (Pa) 1,60 Seuil de cisaillement dynamique (Pa) 1,40
Pâte de ciment 36%E + 55% L + 3% SP
+ 6% AV Viscosité apparente à 50 s-1 (Pa.s) 0,02
Tableau 4.2 : Valeurs des écart-types des réponses rhéologiques
La géométrie de cisaillement utilisée a conduit à la valeur représentative de la viscosité -1. Au delà, la dissipation visqueuse due à
s-1.
3.2. Test de l’eau
apparente à 20 °C pour le gradient de vitesse de 4 s
la turbulence introduit un artefact. Pour cette raison, l’étude menée sur l’écoulement des
suspensions fluides est effectuée seulement à un gradient de vitesse de cisaillement de 4
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 84
3.3. Suspensions fluides
Le tableau représentant les valeurs de viscosité apparente des suspensions fluides à un
gradient de vitesse de 4 s-1, ainsi que leurs proportions volumiques en solides Γ est présenté
en Annexes (Tableau A4.1, page 217).
La figure 4.2 donne la variation de la viscosité apparente (à 4 s-1) en fonction des dosages en
superplastifiant, pour les différentes teneurs en agent de viscosité. Pour une suspension sans
agent de viscosité (0% AV) la viscosité apparente reste constante lorsque le dosage du SP
augmente. Cependant, pour des suspensions contenant un certain dosage de AV la variation
de la viscosité apparente en fonction du dosage du SP n’est pas tout à fait claire ; elle est
décroissante, passe par un minimum (1 ou 3 % de SP) avant d’augmenter.
0
0,5
0 1 2 3 4 5 6 7
1
1,5
2
2,5
0% AV6% AV12% AV18% AV a
rent
e (1
0-3.P
a.s)
gure 4.2 : viscosité apparente des suspensions fluides
ppa
% SP
Vis
cosi
té
Fi
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,8 1,6 2,4 3,2
0% SP1% SP3% SP6% SP0% AV 6% AV
té a
12% AV
Concentration volumique en solides (%)
Vis
cosi
ppa
Figure 4.3 : viscosité apparente en fonction de la concentration volumique en solides
18% AV
rent
e (1
0-3.P
a.s)
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 85
En observant la variation de la viscosité apparente pour un même dosage de SP, nous
remarquons que généralement la viscosité apparente augmente avec le dosage de AV.
Néanmoins, nous remarquons (figure 4.3) que la viscosité apparente des suspensions fluides
est croissante en fonction de la concentration volumique en solides de la suspension.
En effet, il semble que l’encombrement de particules dans la suspension, agit en augmentant
la viscosité apparente du fait de l’augmentation des contraintes. Le superplastifiant ne peut
agir seul comme tel. Par contre, l’agent de viscosité semble avoir un effet direct sur la
viscosité, même dans une suspension ne contenant pas de liant.
3.4. Pâtes de ciment
Nous précisons que certaines formulations de pâtes de ciment n’ont pas pu être caractérisées
avec AV
es pics de contrainte et des chutes de vitesse de cisaillement, incompatibles avec
une caractérisation continue de l’écoulement.
la géométrie de mesure utilisée (Tableau 4.3). Les mélanges avec un dosage élevé
(12% et 18%) et faible SP (1%) sont de consistance ferme, le mélange de dosage faible AV
(6%) et élevé SP (6%) est sédimentant dans le cas d’un dosage de 50% en liant. Dans les deux
cas (sédimentation ou consistance ferme), des particules se sont incrustées entre le mobile et
les parois du cylindre, provoquant des blocages instantanés et répétitifs du mobile, ce qui a
conduit à d
50% L 1% SP 3% SP 6% SP 55% L 1% SP 3% SP 6% SP 6% AV X X - (1) 6% AV X X X 12% AV X X X 12% AV - (2) X X 18% AV - (2) X X 18% AV - (2) X X X mélange mesurable (1) (2)
Tableau 4.3 : composition des pâtes de ciment
est croissant en fonction du dosage en
de tous les points aux dosages égaux en superplastifiant et en agent de viscosité.
mélange sédimentant mélange très ferme
3.4.1. Seuils de Cisaillement
Le tableau qui donne les valeurs des seuils de cisaillement statique et dynamique des pâtes de
ciment est présenté en Annexes (Tableau A4.2, page 218).
Nous montrons dans les deux figures 4.4.a et 4.4.b la variation du seuil statique des pâtes de
ciment étudiées. Nous remarquons que le seuil statique
AV pour un dosage fixe de SP. La comparaison des deux figures montre que l’augmentation
du dosage en liant (passage de 50% à 55%) augmente les valeurs respectives du seuil statique
Joumana
la viscosité apparente augmente avec le dosage de AV.
Joumana
Néanmoins, nous remarquons (figure 4.3) que la viscosité apparente des suspensions fluides est croissante en fonction de la concentration volumique en solides de la suspension.
Joumana
l’agent de viscosité semble avoir un effet direct sur la viscosité, même dans une suspension ne contenant pas de liant.
Joumana
la viscosité apparente augmente avec le dosage de AV.
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 86
0
30
90
60
6 12 18
1% SP
0
3% SP6% SP
% AV
Seui
l s
tatiq
ue (P
a) L = 50%
Figure 4.4.a : Seuil statique / %AV des pâtes de ciments à L = 50%
0
90
30
60
0 6 12 18
1% SP3% SP6% SP
Seui
l sta
tique
(Pa)
?L = 55%
% AV
Figure 4.4.b : Seuil statique / % AV des pâtes de ciment à L = 55%
visualisation de la variation du seuil de cisaillement statique par rapport au dosage La de
aba
cor
superplastifiant des figures 4.5.a et 4.5.b, permet de constater que le superplastifiant agit en
issant le seuil de cisaillement. Il semble que le dosage à saturation du superplastifiant
respond à un dosage volumique compris entre 3% et 6% pour les pâtes de ciment dosées à
50% en liant.
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 87
60
90
0
30
0 1 2 3 4 5 6 7
6% AV12% AV18% AV
Seui
l sta
tique
( L = 50%Pa)
?
% SP
Figure 4.5.a : Seuil Statique / %SP des pâtes de ciment à L = 50%
0
90
30
60
0 1 2 3 4 5 6 7
6% AV12% AV18% AV
% SP
Seui
l sta
tique
(Pa)
L = 55%
Figure 4.5.b : Seuil Statique / %SP des pâtes de ciment à L = 55%
Cependant, nous avons essayé d’exploiter les résultats pour détecter une éventuelle présence
d’interactivité entre les différents paramètres SP, AV et L. Les figures 4.6.a et 4.6.b montrent,
n du seuil statique en fonction de la concentration
AV
Pou
stat
rem
figu
lorsqu’on change de dosage en liant. Nous pouvons dire qu’il existe une interactivité faible ou
en échelle semi-logarithmique, l’évolutio
volumique en solides des pâtes de ciment, respectivement pour des dosages fixes en SP et en
.
r un dosage fixe de SP, une variation croissante de AV entraîne une variation du seuil
ique similaire aux deux niveaux de liant. Par exemple, pour un dosage de 3% de SP nous
arquons que les deux pentes traduisant la variation du seuil statique sont similaires sur la
re 4.6.a. Deux pentes différentes montreraient que l’effet de AV est amplifié ou atténué
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 88
nulle entre les deux paramètres AV et L, sur la réponse seuil statique, puisque l’évolution du
il à deux niveaux de L pour une variation de AV% est transposable. seu
55% L50% L
100
1000
0,1
1
10
0,5 0,52 0,54 0,56 0,58 0,6
1% SP3% SP6% SP
6% AV
12% AV
18% AV
Concentration volumique en solides
Seui
l sta
tique
(P
gure 4.6.a : Seuil statique / concentration volumique en solides pour des dosages SP fixes
a)
Fi
50% L
0,1
1
10
100
1000
0,5 0,52 0,54 0,56 0,58 0,6
6% AV
12% AV
18% AV
55% L
Concentration volumique en solides
Se
6% SP
3% SP
Figure 4.6.b : Seuil statique / concentration volumique en solides pour des dosages AV fixes
Si on visualise maintenant l’évolution du seuil de cisaillement statique pour des dosages fixes
de AV (figure 4.6.b), nous pouvons observer qu’elle est similaire entre 50% et 55% L. Il
existe une faible interactivité entre les deux paramètres SP et L sur la réponse seuil statique.
Globalement, les deux figures illustrent bien l’effet d’ajouts croissants d’agent de viscosité
AV (de 6% à 18%) et de superplastifiant (de 1% à 6%) sur le seuil de cisaillement statique,
noté
uil s
tatiq
ue (P
a)
1% SP
sτ , des pâtes de ciment à différentes concentrations volumiques . En effet, nous Γ
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 89
retrouvons une variation suivant des lois exponentielles [LEG71][CYR99][TOUT04-a]
[TOUT04-b]. mportement
rhéologique des pâtes de ciment, nous retrouvons les mêmes lois en coordonnées semi-
traduisent par des droites d’équation générale :
Malgré l’introduction de l’agent de viscosité qui modifie le co
logarithmiques, qui se
Γ⋅⋅= bs eaτ (4.1)
où a et b sont des constantes.
En procédant de la même façon nous retrouvons les mêmes observations pour la réponse seuil
de cisaillement dynamique (figure A4.1 en Annexes, page 219).
3.4.2. Viscosités apparentes
Le tableau qui donne les valeurs des viscosités apparentes des pâtes de ciment aux différents
gradients de vitesse de cisaillement est présenté en Annexes (tableau A.4.3, page 220).
Les pâtes de ciment réalisées ont un comportement rhéoépaississant répondant au modèle de
Herschel-Bulkley, identique à ce que montrent différents auteurs pour les mélanges
cimentaires [FER98][CYR99,00][MOU03]. La figure 4.7 montre un exemple de courbe
d’écoulement d’une pâte de ciment. La différence entre la première et deuxième descente en
paliers de vitesse n’est pas significative.
0
20
40
60
80
100
Con
train
te d
e ci
saill
emen
t (Pa
120
140
0 20 40 60 80 100 120
Gradient de vitesse de cisaillement (1/s)
)
1ère descente2ème descente
Figure 4.7 : Courbe d’écoulement d’une pâte de ciment au comportement rhéoépaississant
Nous avons tracé la variation de la réponse viscosité apparente en fonction des dosages de SP
à dosage fixe de AV, par exemple pour un gradient de vitesse de cisaillement de 50 s-1. En
effet, nous avons étudié l’évolution de la viscosité apparente sur tous les gradients de vitesse
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 90
choisis, et nous avons remarqué que cette variation est transposable d’un gradient à l’autre
entre 100 s-1 et 4 s-1.
Les figures 4.8.a et 4.8.b représentent la variation de la viscosité apparente des pâtes de
ciment aux dosages respectifs de 50% et 55% en L. Les évolutions sont supposées dans le cas
des mélanges très fermes et des mélanges sédimentants (très fluides), à l’aide de pointillés.
Les mélanges sans adjuvants (E+50%L et E+55%L) sont aussi indiqués sur les figures.
2,85
1
2
3
6%AV12%AV18%AVE + 50%L
Vis
cosi
té a
ppar
ente
(Pa.
s)
50% L
00 1 2 3 4 5 6 7
% SP
Figure 4.8.a : Viscosité apparente à 50 s-1 / %SP pour les pâtes de ciment à L = 50%
3
2
0
1
0 1 2 3 4 5 6 7
6%AV12%AV18%AV
% SP
Vis
cosi
té a
ppar
ente
(Pa.
s)
55% L
E + 55%L
10,26
Figure 4.8.b : Viscosité apparente à 50 s-1 / %SP pour les pâtes de ciment à L = 55%
En général, la viscosité apparente diminue lorsque le dosage en SP augmente (Figures 4.8.a et
4.8.b). Nous remarquons la présence du dosage en saturation du superplastifiant (entre 3% et
6%) déjà observé dans le cas de la réponse seuil de cisaillement. La diminution de viscosité
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 91
est importante lorsqu’on passe de 1% SP à 3% SP, alors qu’elle est faible lorsqu’on dépasse
3% de SP.
vec le dosage de AV. Les figures 4.9.a et 4.9.b
montrent l’évolution de la viscosité apparente (à 50 s-1) en fonction de la concentration
La viscosité apparente augmente aussi a
volumique en solides des pâtes de ciment.
0
1
2
3
0,5 0,52 0,54 6 0,58 0,60,5
1% SP3% SP6% SP
Vis
cosi
re
Concentration volumique en solides
té a
ppa
nte
(Pa.
s)
55% L50% L
6% AV
12% AV
18% AV
Figure 4.9.a : Viscosité apparente (50 s-1) / concentration volumique en solides pour des dosages SP fixes
Pour un dosage fixe de superplastifiant, l’évolution de la réponse viscosité apparente appµ est
différente pour les deux dosages en L (figure 4.9.a). En effet, les droites traduisant les
ux dosages 50%L et 55%L ne sont pas
parallèles ; la pente des droites est plus importante pour les pâtes à 55%L. Ceci traduit une
pparente en fonction de la concentration volumique
t mieux mis
en évidence lorsque le pourcentage de liant augm nte et que l’interaction antagoniste est
également mieux définie.
variations respectives de la viscosité apparente a
interactivité entre le liant et l’agent de viscosité ; l’augmentation du dosage en L entraîne
l’amplification de l’effet de AV (à dosage fixe de SP).
En visualisant l’évolution de la viscosité a
en solides pour des dosages AV fixes (figure 4.9.b), nous pouvons observer une interactivité
entre le liant et le superplastifiant. L’effet réducteur de viscosité du superplastifiant est
amplifié lorsqu’on augmente le dosage en liant.
Finalement, on peut penser que les effets propres de AV et SP sur la viscosité son
e
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 92
55% L50% L
00,5
1
2
3
0,52 0,54 0,56 0,58 0,6
6%AV12%AV18%AV
Concentration volumique en solides
app
aren
te (P
a.s)
Vis
cosi
té
Figure 4.9.b : Viscosité apparente (50 s-1) / concentration volumique en solides pour des dosages AV fixes
s. Dans la limite des dosages volumiques choisis (0% - 6% SP et 0% -
18% AV), la viscosité apparente des suspensions fluides augmente avec le dosage des
Le dosage de l’agent de viscosité agit directem nt sur les réponses rhéologiques des pâtes
Le dosage du superplastifiant agit en diminuant le seuil de cisaillement et la viscosité des
pâtes de ciment. Cependant, l’influence du SP sur les différentes réponses rhéologiques
e la pâte nt.
3.5. Bilan
En partant de suspensions fluides (E+SP, E+AV, E+SP+AV) jusqu’à des pâtes de ciment,
nous avons souligné les points suivants :
La concentration volumique en solides est le paramètre dominant dans le cas des
suspensions fluide
deux adjuvants ; l’encombrement des particules est le phénomène le plus important qui
agit sur cette réponse.
e
de ciment, en augmentant le seuil de cisaillement (statique, dynamique) et la viscosité
apparente.
est réduite à proximité du dosage de saturation d de ciment en superplastifia
Le dosage en liant des pâtes a une influence très nette sur les différentes réponses
rhéologiques. A dosages constants de SP et de AV, une augmentation du dosage en L
augmente le niveau de toutes les réponses de l’étude (viscosités et seuils de cisaillement).
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 93
La variation du seuil de cisaillement statique sτ des pâtes de ciment en fonction de la
concentration volumique en solides Γ , peut être exprimée par l’équation générale Γ⋅⋅= b
s eaτ . Cette relation a été montrée par Legrand [LEG71] pour des pâtes de ciment
sans superplastifiant, vérifiée par Cyr [CYR99] pour des pâtes contenant différents types
de superplastifiants et par Toutou et al [TOUT04-b] pour des pâtes contenant de la nano-
silice et du superplastifiant. L’évolution du seuil de cisaillement est transposable entre les
deux niveaux de dosage en liant. Nous en avons conclu une faible interaction entre le liant
ent.
eraction
4. Conclusion
sur les pr
rimentale classique, qui consiste à observer l’évolution
d’une réponse en faisant varier le dosage d’un seul paramètre à la fois. La première difficulté
(dosages), pour obtenir des
lumique en li
ssibles ur 9 ; les
mélanges présentant de la sédimentation ou les mélanges fermes n’étaient pas caractérisables
érés comme des
informations manquantes dans notre étude, et la qualité de l’information est affectée.
AV) ont un effet de densification sur les suspensions fluides ne
contenant pas de liant, augmentant ainsi la viscosité apparente du mélange. Cependant,
lorsque le liant est ajouté, le superplastifiant agit en diminuant le seuil de cisaillement et la
et les deux adjuvants sur les réponses seuil de cisaillem
Une int semble exister entre le liant et les adjuvants (SP et AV) sur la réponse
viscosité apparente. L’augmentation du dosage de liant amplifie les effets de l’agent de
viscosité et du superplastifiant grâce à une densification du mélange.
Nous avons effectué une analyse paramétrique dans le but de comprendre le rôle joué par
différents paramètres (dosages en liant, superplastifiant et agent de viscosité, et concentration
volumique en solides) opriétés des suspensions fluides, et des pâtes de ciment.
Nous avons établi une stratégie expé
consistait à définir les niveaux des paramètres de cette étude
mélanges réalistes de pâtes de ciment. Après quelques essais préliminaires, nous avons défini
3 dosages pour le superplastifiant et l’agent de viscosité, dont les combinaisons peuvent
aboutir à 9 mélanges pour chaque niveau de liant (ciment + filler). Nous avons choisi de faire
varier le dosage vo ant à deux niveaux (50% et 55%) correspondant à des
concentrations volumiques en solides compris entre 0,50 et 0,60 pour l’ensemble des pâtes de
ciment. A chaque niveau de liant nous avons pu tester 7 mélanges po s
par la géométrie de cisaillement utilisée. Ces mélanges sont consid
Différentes conclusions ont été retenues.
Les adjuvants (SP et
Partie II - Chapitre 4 : Analyse paramétrique 94
viscosité de la pâte, certainement grâce à la défloculation et la dispersion uniforme des
particules solides du liant dans le mélange. L’agent de viscosité à l’inverse, agit en
augmentant le seuil de cisaillement et la viscosité du mélange, en provoquant la
gélification de la phase liquide de la pâte.
Des interactions ont été détectées entre le liant et l’agent de viscosité d’une part et entre le
liant et le superplastifiant d’autre part. Ces interactivités ne sont présentes que pour la
réponse viscosité. Pour la réponse seuil de cisaillement (statique et dynamique), les
interactivités sont très faibles ou inexistantes. Cependant, il est difficile de définir avec
certitude les éventuelles interactions entre le superplastifiant et l’agent de viscosité sur les
nir une telle
du
réponses rhéologiques.
La démarche classique proposée étudie chaque paramètre à part, ce qui nécessite une
procédure lourde et longue. Nous avons pu observer l’influence des dosages des adjuvants
et du liant, toutefois, nous ne sommes pas en mesure de juger l’importance d’un paramètre
par rapport à un autre paramètre, ou plutôt de classer les paramètres par niveau
d’influence sur une réponse donnée. Dans le cas de l’étude sur les suspensions fluides,
nous avons remarqué que la concentration volumique en solides est le paramètre dominant
sur la réponse viscosité apparente de la suspension, or il était difficile d’obte
information dans le cas de l’étude sur les pâtes de ciment. Il n’était pas possible par
exemple de déterminer quel paramètre était responsable principalement de la variation
seuil de cisaillement des pâtes.
Finalement, la démarche paramétrique est une première étape qui fournit des possibilités
intéressantes. Les informations obtenues peuvent aider à mener une étude plus complète, afin
de mieux comprendre les rôles des constituants en établissant une hiérarchisation de
l’importance des paramètres sur les réponses étudiées. Cette étude fait l’objet du chapitre 5.
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 95
CHAPITRE 5 – ANALYSE PAR PLAN DE MELANGE
des interactions éventuelles entre
a l’objectif d’étudier le rôle des 5 constituants
des pâtes de ciment. Par ailleurs, si la démarche classique paramétrique utilisée fournit des
chisation de l’importance des
entre tous les
Ainsi nous avons besoin d’une stratégie expérimentale, capable de donner le maximum
t d’ex i et en tenant compte des
différents paramètres non présents dans l’étude classique comme l’influence propre du
’expériences
port à celui utilisé dans la démarche paramétrique, et qu’il
1. Introduction
La démarche paramétrique classique, comme celle que nous avons définie, est basée sur la
variation de chaque paramètre séparément, afin d’observer son influence sur l’évolution de la
réponse. Ainsi, pour étudier l’influence de l’agent de viscosité, nous avons dû faire varier son
dosage et observer l’évolution des réponses rhéologiques. Cependant, la variation du dosage
d’agent de viscosité est forcément accompagnée par la variation d’autres paramètres du
mélange (dosage de l’eau, concentration volumique en solides). Par conséquent, l’influence
de l’agent de viscosité peut être jugée comme « apparente » puisqu’elle ne peut pas tenir
compte de la présence des autres constituants, et
constituants. Cette démarche peut aussi être accompagnée par le problème de mélanges non
caractérisables. En effet, il est très difficile de combiner les différents dosages fixés des
constituants pour obtenir un ensemble de pâtes caractérisables, et pour étudier les interactions.
Cette difficulté est plus importante lorsqu’on
possibilités intéressantes, elle ne permet pas d’établir une hiérar
paramètres sur les réponses étudiées, ni de déceler les éventuelles interactivités
constituants ou les paramètres.
d’informa ion, en utilisant un nombre réaliste pér ences,
ciment, du filler et de l’eau. Une solution est de définir un plan de mélange, c’est à dire de
déterminer, grâce à la méthodologie de la recherche expérimentale, une liste d
dont la réalisation permet de mettre en évidence le rôle de tous les constituants, et de détecter
des interactivités.
Le plan de mélange nécessite d’abord la détermination d’un domaine expérimental, où l’on
définit à chacun des paramètres une plage de variation, tout en s’assurant que toute
combinaison possible des dosages appartenant chacun à sa plage de variation, aboutira à un
mélange dont les propriétés rhéologiques sont mesurables. L’inconvénient d’un tel domaine,
est qu’il risque d’être réduit par rap
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 96
nécessite un nombre plus élevé d’essais préliminaires, mais il garantit une étude dépourvue de
mélanges non mesurables, donc de bonne qualité.
2. Méthodologie de la recherche expérimentale : plan de mélange
La méthodologie de la recherche expérimentale [MAT96] est un concept visant à remplacer
les méthodes classiques utilisées par les expérimentateurs et qui accumulent le maximum de
données avec un grand nombre d’expériences. Elle consiste à « maîtriser, décrire, prévoir ou
expliquer le phénomène étudié » [MAT00]. Cette stratégie expérimentale a été développée en
France par le Laboratoire de Méthodologie de la Recherche Expérimentale de l’université
d’Aix-Marseille III, et a conduit à l’élaboration d’un logiciel NemrodW [NEM]. Ce dernier
est un outil performant en vue d’élaborer d’abord une stratégie expérimentale optimale qui
permet d’obtenir une information de bonne qualité et de prévoir ensuite le comportement des
icté par les conditions expérimentales et les
élém our dition t
nécessaire d’effectuer une recherche exploratoire. Avant d’entamer une nouvelle étude
expéri l’expérimen ur ignore souve ramètres importants ou influents du
ph Une recherche exploratoire ie d’essais prélimi estinée à
m ion de périence (contrô épétabilité), à détec ossibles
difficultés et à cerner les grandeurs importantes et les contraintes qui les relient. Ceci revient à
déte tre
appliqué.
gro-alimentaire), un grand nombre des
mélanges dans tout le domaine expérimental déterminé.
Le choix du plan d’expérimentation peut être d
ents principaux de l’étude. P bien définir ces con s expérimentales il es
mentale, tate nt les pa
énomène étudié. est une sér naires d
aîtriser la réalisat l’ex ler la r ter les p
rminer un ou plusieurs domaines expérimentaux où le plan d’expérimentation peut ê
Dans certaines industries (par exemple l’industrie a
produits sont des mélanges. L’objectif est d’obtenir des mélanges possédant des réponses
optimales, ou répondant à certaines exigences fixées dès le départ [MAT96,00]. Or, par
définition, un mélange est une substance obtenue en mélangeant deux ou plusieurs ingrédients
différents, en certaines proportions. La réponse recherchée du mélange dépend principalement
des proportions de ses constituants. Dans le cas des mélanges, les facteurs étudiés sont donc
les proportions volumiques (Xi) des différents constituants (i) entrant dans la formulation. La
somme des facteurs est égale à l’unité, ce qui veut dire qu’ils ne sont pas indépendants les uns
des autres. Le domaine expérimental est contraint par la relation suivante :
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 97
1=∑i
iX (5.1)
2.1. Modèles mathématiques utilisés
variation du dosage des constituants. Le degré du polynôme doit être choisi par un compromis
désirée et le nombre maximum d’expériences que l’on peut tolérer. En
i
sous la forme générale suivante :
Pour déterminer les coefficients du polynôme
En travaillant toujours sur le mélange complet, on utilise des modèles mathématiques
empiriques de forme polynomiale qui relient la variation des propriétés des mélanges à la
entre la précision
général, ce degré est au moins égal à 2 pour tenir compte des courbures ainsi que des
synergismes et antagonismes entre les constituants.
Le modèle mathématique de degré 2 reliant une réponse Y aux proportions des constituants X
(les facteurs) s’écrit
∑∑∑<=
⋅⋅+⋅=k
ji
k
jjiij
k
iii XXXY ββ
1 (5.2)
iβ et ijβ , il est nécessaire d’effectuer des
expériences ju ue soit leur type, il é montré que les matrices
d’expériences (c’es s expériences mise sous forme d’une matrice) qui
apportent le celles dont la des points qui les
constituent sont situés sur les frontières du domaine expérimental. Le calcul des coefficients
du polynôme est établi pa sion multilinéaire.
2.2.
dicieusement choisies. Quel q a ét
t-à-dire la liste de la
maximum d’informations sont majorité
r régres
Construction de la matrice d’expérience
Quelques définitions sont nécessaires pour aider le lecteur à mieux comprendre les notions
utilisées. Nous prenons l’exemple de notre étude, constitué de 5 facteurs (C, F, SP, AV, E) qui
sont les constituants de la pâte de ciment.
Soit [Y] le vecteur colonne des réponses expérimentales, [X] la matrice d’expériences et [B]
le vecteur colonne des coefficients du modèle. Soit [ ]ε le vecteur colonne des erreurs
expérimentales, en supposant que le résultat expé ental obtenu à la mesure i diffère de la
réponse théori ne
rim
que par u erreur ei. Avec ces notations nous avons logiquement :
[ ] [ ] [ ] [ ]ε+⋅= BXY (5.3)
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 98
Pour un nombre n d’expériences, le développement de la relation 5.3 aboutit à la forme
suivante :
⎤⎡⎤⎡⎤⎡ EAVFCEAVSPFCY L β
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎥⎥
⎢⎢⎢⎢
⎣
=
⎢⎢⎢⎢
⎣ nnnnnnnn e
e
AVFCAVSPFCY
M
M
M
K
MMMMMMMM
1
45
12
11111111111
β
β (5.4)
Les coefficients du modèle sont calculés par la méthode de dres carrés, le vecteur des
coefficien hoisi est celui qui minim la somme des carrés des erreurs exp les, ce
qui peut s’écrire :
∀⎭⎬⎫
2var(0(σ
(5.5)
E représe t l’espérance mathématique, E(ei) = 0 signifie que sur un grand nombre de
répé e la
valeur théorique tend vers la valeur expérimentale. La constante est liée au protocole
ormation
résultante est précise.
On ont indé es
des autres, ce qui signifie (pour
⎢⎣⎥⎦nE⎢⎢
⎥⎥
⎢⋅⎥⎢⎢
⎢⎢
⎥⎥
⎢⎢
⎥⎦n
⎥⎥⎥
nE
M
s moin
ts c ise érimenta
ieeE
i =)i =)
ntan
titions d’une mesure, l’erreur de lecture est nulle ou insignifiante, et qu’en moyenn2σ
expérimental, à la lecture des mesures et à l’opérateur, elle mesure la dispersion de l’erreur
expérimentale ei à l’expérience i. En effet, la variance expérimentale (constante) est un
indicateur sur la qualité de l’information résultante : plus elle est faible, plus l’inf
pose aussi comme hypothèse que les erreurs expérimentales s pendantes les un
ji ≠ ) :
2),cov( σ=ji ee (5.6)
Ces conditions étant posées, on démontre que la variance des coefficients du modèle est
nue par la formule suivante :
[ ] 21)( σ⋅= −XXBVar T (5.7)
le terme
obte
XX T est appelé matrice d’information, et 1)( −XX T la matrice de dispersion.
A partir de ces définitions, la construction d’une matrice d’expérience d’un plan de mélange
doit répondre à des critères qui permettent d’estimer la qualité de la matrice d’expérience, et
de x
critères de qualité parmi lesquels nous ipaux :
déterminer le nombre d’expériences nécessaire pour la constituer. Il existe de nombreu
testons les 3 princ
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 99
Critère D : Optimisation de la qualité de l’information
Le critère D est celui de la qualité du plan d’expérimentation, qui permet d’optimiser le
nombre d’expériences à réaliser. Une matrice d’expériences est dite Optimale D si le
déterminant de la matrice de dispersion 1)( −XX T est minimal, ce qui veut dire que le
déterminant de la matrice d’information XX T est maximal puisque :
( ) ( ) 1det/1det −= XXXX TT (5.8)
Plus la valeur du déterminant de la matrice d’information XX T est grande, plus la matrice de
ispersion est optimisée. Or, plus le nombre d’ex ces est élevé, plus la matrice
’expérience comporte de point, et plus le déterminant de la matrice d’information est grand.
onc, la matrice qui apporte le maximum d’informations selon le critère D est celle qui est
constituée de la totalité des points expérimentaux.
Critère A
1)( −XX T périend
d
D
: Optimisation de la qualité des coefficients du modèle
Le critèr teste la qualité des coef du modèle polynomial re nt les répon
propor ns des co s. La m ’expéri dite O A si la la
matrice de dispersio − est le, ce qui veut dire que e des v des
coefficients du modèle est minimal
Critère G
e A ficients lia ses aux
tio nstituant atrice d ence est ptimale trace de
n ( XX T 1) minima la somm ariances
e.
: Optimi la qua évision èle
La ma ce d’expé st dite le G si elle conduit à nction nce
maxim
sation de lité de pr du mod
tri riences e Optima une fo de varia
ale maxδ de l e calcu lus faib ble dan aine ex tal.
Nous savons que lorsque l’on réalise une expérience, la fonction de variance de la réponse est
égale à 1 puisque σ⋅= chercho que la n de v des
réponses calculées par le modèle (pour des expériences non effectuées) ne soit pas plus
grand e celle qu tiendra mentale r consé
a répons lée, la p le possi s le dom périmen
21)var(ei . Nous ns à ce fonctio ariance
e qu e l’on ob it expéri ment. Pa quent, 1max ≤δ .
2.3. aboration atrice iences : me d’
Nous ns utilisé on app algorith hange qui permet de trouver un
comp is entre la de la m atisfaction des critères alité) e bre
d’exp nces à réa
El de la m d’expér algorith échange
avo ce qu’ elle un me d’éc
rom qualité atrice (s d’optim t le nom
érie liser.
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 100
Parm s les poin ats de l e (l’ens s expér ossibles isit
un sous-ensemble de N oisie aléatoirement, le
no oit être l ou supérie au nombre des coefficients du modèle polynomial
postu râce à l’ e d’échange, on va échanger success certain (ou
expériences) de façon à améliorer e D de ice con vec la s de
points. Lorsque plus aucun échange de points n’ ce crit atrice obtenue est
considérée comme la solution optimale. Cette pro st répé d’autre ons
de départ, et la matrice optim atrice de
dispersion minimal.
Pour chaque valeur de N (nombre d’expériences) on obtient donc une matrice optimale D. Le
n de mélange pour l’étude des pâtes de ciment
ble lorsque nous considérons le seuil de cisaillement
d e e p m e t
les conséquences sur les résultats sont aussi transposables. De ce f est possib l’on
considère une seule réponse seuil de cisaillement p fectuer l’é par plan d ge,
afin restr a qu d’inf e visant à iser
l’ouvrabilité de la pâte de t peu trodui s l’étude st de m ut
être opportun pour caractériser l’ouvrabilité d’une pâte de ciment.
L’application de la méthodologie de la recherche expérimentale à notre étude se déroule en
plusieurs étapes que nous allons détailler dans l’ordre.
i tou ts candid a matric emble de iences p ) on cho
expériences. Cette sélection de départ est ch
mbre N d éga ur
lé. G algorithm ivement s points
le critèr la matr struite a élection
améliore ère, la m
cédure e tée avec s sélecti
ale D finale est celle qui conduit au déterminant de la m1)( −XX T
choix de N va dépendre essentiellement des critères A et G. Pratiquement, pour déterminer le
nombre d’expériences de la solution optimale, nous répétons l’algorithme d’échange en
partant d’une valeur de N égale au nombre des coefficients du modèle polynomial jusqu’à
obtenir une valeur N où tous les critères sont satisfaits. Ainsi nous obtenons un compromis
entre les critères de qualité et le nombre d’expériences à réaliser. L’application de
l’algorithme d’échange dans notre étude a été faite avec le logiciel NemrodW développé par
la société LPRAI pour la conception et l’analyse de plans d’expériences [NEM].
3. Mise en œuvre d’un pla
La démarche paramétrique a permis l’étude de plusieurs réponses rhéologiques, qui se
divisent toutefois en deux phénomènes physiques de la matière : le seuil d’écoulement de la
pâte de ciment d’une part est représenté par 2 réponses seuils de cisaillement (statique et
dynamique), et la viscosité apparente d’autre part. Or nous avons remarqué que dans les
évolutions des réponses il y a une grande similarité. Par exemple, l’évolution du seuil de
cisaillement statique est transposa
ynamique. Seul le niv au ou l’éch lle de la ré onse change, ais l’évolution st la même, e
ait, il le que
our ef tude e mélan
de eindre l antité ormation. Une nouvelle m sure caractér
cimen t être in te dan ; le te ini-cône pe
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 101
3.1. Déterm on d’u aine menta
Une recherche exploratoire a été menée avant de construire la matrice d’expériences. Son but
est de déterm doma périm ù les m es sans ré s sont év r ne
pas être contraint de modif truct ale de trice. Nous avons dû nous donner un
point de départ afin d’appréhender nos essais. Pour ous avon posé le m qui
constitue exac t la ma ’un béton autoplaç dié au projet national [MOU04-b].
Ce de et fortement sé t. En le besoin du
béton est plus grand que celui de sa pâte pour compenser l’eau retenue par les granulats. Notre
pre e éta tait a rédui ressive la quanti de la pâ çon
à a dre un nge h ne et non sédimen Nous som
mélange fluide et homogèn is de concentration volumique en s de 0,63 ne
valeur t
d e 4 s ler
Co ation ique en solides (
inati n dom expéri l
iner un ine ex ental o élang ponse ités pou
ier la s ure initi la ma
cela n s com élange
temen trice d ant étu
mélange s’est avéré trop flui dimentan effet, en eau
mièr pe consis lors à re prog ment té d’eau te de fa
ttein méla omogè tant. mes arrivés à obtenir un
e, ma olides 3 qui est u
rès élevée par rapport à celle du mélange initial.
Après quelques essais préliminaires, le domaine expérimental d’étude est finalement défini
par les plages de variation de dosages des constituants ci-après. Ce domaine garantit dans ses
limites inférieure et supérieure un ensemble de mélanges homogènes et non sédimentants, aux
propriétés d’écoulement mesurables.
Masse du filler (F) = 20% à 30% de la masse de ciment (C).
Masse de superplastifiant (SP) = 0,9% à 1,1% de la masse (ciment + filler).
Masse e l’agent d viscosité (AV) = 3% à ,5% de la mas e (ciment + fil ).
0,61 ≤ ncentr Volumtotal
) solides
VV
≤ 0,63.
Ces dosages nt ce ituell utilisés dans les BAP (cas du filler ou
qui ent da ages age p ées par les fabricants (cas de AV).
Nous avons loitations à
plages de variation de dosages des constituants. En effet, une concentration
volumique en solides élevée, permettait de rédu entation des mélanges,
et d’avoir i permet
d’obtenir un domaine plus étendu.
respecte ux hab ement et du SP)
rest ns les pl de dos réconis
recherché d’autres domaines expérimentaux pour élargir les exp
d’autres concentrations volumiques en solides. Mais le caractère pointu de la pâte de ciment à
une concentration volumique en solides plus faible (de l’ordre de 0,55), conduisait à une
réduction des
ire les risques de sédim
une tolérance plus importante sur les variations des dosages, ce qu
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 102
Pour le traitement d’un plan de mélange, nous transformons les contraintes relationnelles
définies plus haut en équations arithmétiques. C, F, SP, AV, E sont respectivement les
≥⋅+⋅+⋅+⋅−⋅−≥⋅−⋅−⋅−⋅+⋅
≥−⋅+⋅≥+⋅−⋅−
≥−⋅+⋅≥+⋅−⋅−
≥−⋅≥+⋅−
fractions ou proportions volumiques des constituants ciment, filler, superplastifiant, agent de
viscosité et eau, constituants de base d’une pâte de ciment de notre plan de mélange.
1=++++ EAVSPFC
063,041,0431,037,037,0061,039,0411,039,039,0
0106,0122,00071,00816,0
00283,00325,000231,00266,0
0345,002296,0
EAVSPFCEAVSPFC
AVFCAVFCSPFCSPFC
FCFC
(5.9)
Ces contraintes relationnelles engendrent implicitement des contraintes individuelles qui
Tableau 5.10 : Réponses du modèle et de l’expérience
La comparaison est satisfaisante, même pour le seuil qui, en absolu, prend les valeurs de 2 Pa
et 13 Pa respectivement avec le modèle et avec l’ n effet, l’ ible
de u doma s seuil (0,1 P a, voir table
expérience. E écart reste fa
vant l’amplitude d ine des valeur a à 1774 P au 5.6).
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 115
4. Exploitation et analyse des résultats
remier point, nous utiliserons les résultats d’une
de Statistique et Probabilités
SP) de l’Université Paul Sabatier de Toulouse [BES03][BAC04]. Quant aux interactivités,
elles seront étudiées avec les potentialités du logiciel NemrodW.
Deux logiciels, SAS et S+ [AZA01][CAR99] ont été utilisés au LSP pour les différents
ctués dans cette étude.
pelés variables explicatives, avec une réponse (Seuil, Etal,
liquer. On examine comment se répartissent les
A partir de la base de données fournie par la matrice d’expériences, nous allons essayer d’une
part de dégager une analyse du rôle des constituants sur le comportement des mélanges (pâtes
de ciment) contenus dans le domaine expérimental, et d’autre part de mettre en évidence des
interactivités entre les constituants. Pour le p
étude statistique menée en collaboration avec le Laboratoire
(L
4.1. Rôle des constituants sur le comportement des mélanges
Notre base de données est constituée des résultats obtenus sur l’ensemble des mélanges (la
matrice d’expériences, les 5 points tests et le mélange optimal). Le nombre des expériences
s’élève donc à 28, mais étant donné que deux de ces mélanges donnent des valeurs hors
mesure (essais N° 10 et 11), ces derniers sont extraits de l’étude, qui porte désormais sur 26
mélanges.
traitements effe
4.1.1. Analyse descriptive
L’analyse descriptive peut être abordée en considérant les nuages des points du plan pour les
paramètres pris deux à deux. On s’intéresse ici aux nuages de points deux par deux des
constituants (C, F, SP, AV, E) ap
Visma, Vismi) appelée variable à exp
différentes variables les unes avec les autres. La figure 5.11 illustre cette démarche pour la
réponse Seuil. Les autres figures (Etal, Vismi, Visma) sont représentées en Annexes (figure
A5.2, page 222). Les valeurs numériques indiquées dans les cases diagonales du tableau
indiquent les intervalles de variation des différents paramètres (proportions volumiques des
constituants).
Les nuages de points que l’on observe entre les variables C, F, SP, AV et E ne présentent
aucune singularité (au sens où aucune liaison fonctionnelle n’est visible) hormis en ce qui
concerne le nuage entre C et F (encadrement de la figure 5.11). En effet, entre le ciment et le
filler la structure du nuage est très particulière puisque les points sont disposés en 5 paquets
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 116
distincts et régulièrement repartis, avec, dans chaque paquet une liaison linéaire croissante, et
entre les paquets également une liaison linéaire, mais décroissante. Un coefficient de
corrélation important de –0.9 environ confirme ces liens particuliers entre les 2 variables
(tableau 5.11).
C
F
SP
E
AV
Seuil
C
F
SP
E
AV
C F SP EAV
Seuil
Seuil
18 points
3 points
5 points
Figure 5.11 : Nuages des points pour la réponse Seuil
En ce qui concerne la variable Seuil, il apparaît très clairement que ses données se répartissent
en trois groupes bien distincts (figure 5.11) : 5 données avec un Seuil élevé (environ 1000 Pa),
3 données avec un Seuil moyen (environ 200 Pa) et 18 données avec un Seuil faible (environ
1 Pa). En revanche, quand on trace les nuages de points entre Seuil et les variables
explicatives, il n’apparaît pas de comportement remarquable ; on retrouvera cela en observant
des coefficients de corrélation faibles entre Seuil d’une part, et les variables explicatives
d’autre part variables à
exp tre
(voir tableau 5.11). Les remarques sont applicables pour les autres
liquer (Etal, Vismi, Visma). Le tableau 5.11 représente la matrice de corrélation en
Partie II - Chapitre 5 : Analyse par plan de mélange 117
toutes les variables (explicatives et à expliquer). Nous remarquons que les 4 réponses sont
fortement corrélées les unes aux autres.
Variable C F SP AV E Seuil Etal Vismi Visma C 1,000 -0,899 0,096 -0,100 -0,271 0,473 -0,261 0,535 0,374 F -0,899 1,000 -0,013 -0,032 0,041 -0,392 0,228 -0,392 -0,258
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Annexes 217
ANNEXES
Annexes chapitre 4 (Analyse paramétrique)
Viscosité apparente des suspensions fluides
Le tableau A4.1 représente les valeurs de viscosités apparentes des suspensions fluides à un
gradient de vitesse de 4 s P
-1P, ainsi que leurs proportions volumiques en solides Γ .
Tableau A4.3 : Viscosités apparentes des pâtes de ciment à différents gradient de vitesse
Annexes 221
Annexes chapitre 5 (Analyse par plan de mélange)
Fiabilité du modèle
Les deux figures A5.1.a et A5.1.b présentent, respectivement pour Visma et log(Seuil), la
comparaison entre les réponses expérimentales et celles du modèle des points tests du plan de
mélange.
0
2
4
6
8
10
Expérience
Modèle
Points Tests
N°2 N°10 N°12 N°16 N°17
Vis
ma
(Pa.
s)
Figures A5.1.a : Comparaison expérience / modèle pour la réponse Visma
0
1
2
3
4
log(
Seui
l)
Points TestsN°23 N°24 N°25 N°26 N°27
Experience
Modèle
Figures A5.1.b : Comparaison expérience / modèle pour la réponse log(Seuil)
Annexes 222
Analyse descriptive
La figure A5.2 présente le nuage des points entre les constituants et les réponses Seuil, Etal,
Vismi et Visma.
C
F
SP
E
AV
Seuil
a. Seuil
C
F
SP
E
AV
Etal
b. Etal
C
F
SP
E
AV
Vismi
c. vismi
C
F
SP
E
AV
Visma
d. visma Figure A5.2 : Nuages de points entre constituants et réponses
Annexes 223
Arbres binaires
Le découpage en 3 catégories n’est pas conservé pour les réponses Etal, Vismi et Visma. En
effet, le nombre de constituants appartenant à la catégorie plastique est trop faible pour
permettre la construction d’arbres stables, proposant un classement objectif. Deux groupes
sont alors retenus, appelés “Bas” et “Haut” et peuvent être assimilés, selon la réponse, aux
classes fluide et ferme (figures A5.3.a, A5.3.b et A.3.c).
E < 0,325
Haut
oui non
Bas
oui non
Haut Bas
oui non
SP < 0,017
C < 0,482
SP = 0,017 correspond àSP entre 1,10% et 1,25% en masse de C
C = 0,482 correspond àE/C entre 0,2 et 0,23
E = 0,325 correspond àE/C entre 0,21 et 0,24
Figure A5.3.a : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Etal)
C < 0,476
Bas SP < 0,017
oui non
Haut Bas
oui non
SP = 0,017 correspond àSP entre 1,10% et 1,25% en masse de C
C = 0,476 correspond àE/C entre 0,20 et 0,23
Figure A5.3.b : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Vismi)
C < 0,476
Bas E < 0,319
oui non
Haut Bas
oui non
C = 0,476 correspond àE/C entre 0,20 et 0,23
E = 0,319 correspond àE/C entre 0,20 et 0,23
Figure A5.3.c : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Visma)
Liste des figures 224
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : représentation en plan d’un blocage de granulats à travers deux armatures......... 13 Figure 1.2 : Schématisation de l’essai d’étalement au cône d’Abrams.................................... 15 Figure 1.3 : Anneau d’armatures (J-Ring) ............................................................................... 16 Figure 1.4 : Schématisation de l’essai de l’entonnoir (V-funnel) ............................................ 17 Figure 1.5 : Schématisation de la boite en L ............................................................................ 18 Figure 1.6 : Schématisation de l’essai du tube en U ................................................................ 19 Figure 1.7 : Schématisation de l’essai du caisson .................................................................... 19 Figure 1.8 : Schématisation de l’essai de passoire ................................................................... 20 Figure 1.9 : Schématisation de l’essai de stabilité (GTM)....................................................... 21 Figure 1.10 : essai de la colonne .............................................................................................. 22 Figure 1.11 : dispositif de l’essai à la colonne LMDC............................................................. 23 Figure 1.12 : essai à la bille...................................................................................................... 24 Figure 1.13 : Comportements Newtoniens et non Newtoniens, fluidifiants et épaississants... 26 Figure 1.14 : Différents types de modèles d’écoulement......................................................... 28 Figure 1.15 : Géométries de cisaillement de type Couette....................................................... 30 Figure 1.16 : Corrélations viscosité-TB50 Bet viscosité-TBVf B[NIE03] ............................................ 33 a. Cône à mortier ...................................................................................................................... 34 b. Entonnoir à mortier .............................................................................................................. 34 Figure 1.17 : Dimensions du cône et de l’entonnoir à mortier [RIL01]................................... 34 Figure 2.1 : Application du modèle de Krieger-Dougherty aux pâtes de ciment [STR95]...... 47 Figure 2.2 : effet du dosage en filler calcaire sur l’écoulement en fonction du rapport E/C du
mortier [YAH05] ............................................................................................................... 51 Figure 2.3 : Exemples de motifs (R représente H ou un groupe alkyle) [HAS99] .................. 52 Figure 2.4 : Répulsion électrostatique entre deux particules de ciment [CAL] ....................... 54 Figure 2.5 : Particules de ciment recouvertes de polymères à fort encombrement stérique
[CAL]................................................................................................................................. 54 Figure 2.6 : Variation du potentiel zêta en fonction du dosage en Superplastifiant [BLA03]. 55 Figure 2.7 : ramifications des polymères recouvertes par la formation des hydrates .............. 57 Figure 2.8 : particules de Silice amorphe précipitée (5-50 nm) observées au Microscope
Electronique à Transmission (MET) [COL01].................................................................. 59 Figure 3.1 : mobile à ailettes pour la mesure du seuil de cisaillement..................................... 70 Figure 3.2 : Schéma type d’un essai de mesure de seuil de cisaillement d’une pâte de ciment
........................................................................................................................................... 71 Figure 3.3 : Répartition linéaire des contraintes depuis le centre du mobile ........................... 71 Figure 3.4 : Stator (à gauche) et rotor (à droite) utilisés pour nos essais ................................. 72 Figure 3.5 : Exemple d’historique de cisaillement d’une pâte en configuration de cylindres
coaxiaux............................................................................................................................. 73 Figure 3.6 : Schématisation du dispositif des cylindres coaxiaux............................................ 74 Figure 3.7 : Dimensions du mini-cône ..................................................................................... 76 Figure 3.8 : Mobile double ruban hélicoïdal du viscosimètre Rheostress RS 150................... 77 Figure 3.9 : Exemple d’un historique de cisaillement.............................................................. 78 Figure 3.10 : exemple de mesure de seuil de cisaillement statique (80 Pa) ............................. 79 Figure 4.1 : Approche expérimentale paramétrique................................................................. 82 Figure 4.2 : viscosité apparente des suspensions fluides ......................................................... 84 Figure 4.3 : viscosité apparente en fonction de la concentration volumique en solides .......... 84 Figure 4.4.a : Seuil statique / %AV des pâtes de ciments à L = 50% ...................................... 86 Figure 4.4.b : Seuil statique / % AV des pâtes de ciment à L = 55% ...................................... 86
Liste des figures 225
Figure 4.5.a : Seuil Statique / %SP des pâtes de ciment à L = 50% ........................................ 87 Figure 4.5.b : Seuil Statique / %SP des pâtes de ciment à L = 55% ........................................ 87 Figure 4.6.a : Seuil statique / concentration volumique en solides pour des dosages SP fixes 88 Figure 4.6.b : Seuil statique / concentration volumique en solides pour des dosages AV fixes
........................................................................................................................................... 88 Figure 4.7 : Courbe d’écoulement d’une pâte de ciment au comportement rhéoépaississant . 89 Figure 4.8.a : Viscosité apparente à 50 sP
-1P / %SP pour les pâtes de ciment à L = 50% ........... 90
Figure 4.8.b : Viscosité apparente à 50 sP
-1P / %SP pour les pâtes de ciment à L = 55%........... 90
Figure 4.9.a : Viscosité apparente (50 sP
-1P) / concentration volumique en solides pour des
dosages SP fixes ................................................................................................................ 91 Figure 4.9.b : Viscosité apparente (50 s P
-1P) / concentration volumique en solides pour des
dosages AV fixes ............................................................................................................... 92 Figure 5.1 : Variation de la trace de la matrice de dispersion 1)( −XX T en fonction du nombre
d’expériences N ............................................................................................................... 104 Figure 5.2 : Variation de la fonction de variance maximale maxδ en fonction du nombre
d’expériences N ............................................................................................................... 105 Figure 5.3 : Relation linéaire entre l’étalement et le seuil de cisaillement ............................ 108 Figure 5.4 : Représentation d’un modèle fiable ..................................................................... 109 Figure 5.5 : Comparaison expérience / modèle pour la réponse Etal..................................... 110 Figure 5.6 : Comparaison expérience / modèle pour la réponse Vismi ................................. 110 Figure 5.7 : Différents profils de fonction de désirabilité d ................................................... 112 Figure 5.8 : Forme de la fonction de désirabilité pour la réponse Seuil ................................ 113 Figure 5 .9 : Forme de la fonction de désirabilité pour la réponse Etal ................................. 113 Figure 5.10 : Forme de la fonction de désirabilité pour les réponses Vismi et Visma .......... 114 Figure 5.11 : Nuages des points pour la réponse Seuil .......................................................... 116 Figure 5.12 : exemple d’un arbre binaire ............................................................................... 119 Figure 5.13 : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Seuil)............................. 121 Figure 5.14 : Arbre binaire des variables SP et E (réponse Seuil) ......................................... 122 Figure 5.15 : a. Exemple général d’un diagramme ternaire XB1B-XB2 B-XB3B................................... 125 b. diagramme ternaire dans le plan de coupe (C - F - E), pour la réponse log B10B(Seuil). ........ 125 Figure 5.16 : Comparaison de diagrammes ternaires dans le plan de coupe (C - F - E) pour la
réponse Vismi .................................................................................................................. 126 Figure 5.17 : Modes d’adsorption sur la calcite [GEF97]...................................................... 131 Figure 6.1 : courbes granulométriques................................................................................... 137 Figure 6.2 : échantillons des granulats de l’étude .................................................................. 137 Figure 6.3 : dispositif de mesure de l’eau retenue par les granulats ...................................... 138 Figure 6.4 : Exemple de courbe de filtration d’un squelette granulaire................................. 139 Figure 6.5 : le dispositif de mesure de la compacité .............................................................. 140 Figure 6.6 : RheoCAD – mobile de cisaillement en forme d’ancre double ........................... 141 Figure 6.7 : exemple d’un historique de cisaillement d’un béton .......................................... 143 Figure 7.1 : Illustration de la démarche de recherche d’une formulation de BAP................. 146 Figure 7.2 : Préparation de granulats en petites quantités (fractions volumiques de VBAB) ...... 147 Figure 7.3 : Aspects apparents du béton pendant la procédure expérimentale ...................... 148 Figure 7.4 : Courbe d’écoulement des bétons confectionnés (Série B2) ............................... 153 Figure 7.5 : Courbe d’écoulement des bétons B3 et B4......................................................... 155 Figure 7.6 : courbe de filtration du squelette granulaire roulé à G/S = 1,1............................ 158 Figure 7.7 : remplacement du supplément d’eau par de la pâte de ciment autoplaçante à
volume constant de béton ................................................................................................ 158 Figure 7.8 : position des bétons autoplaçants confectionnés par rapport à la courbe de
filtration du squelette granulaire roulé, G/S = 1,1 ........................................................... 160
Liste des figures 226
Figure 8.1 : fonction de distribution en volume d’un groupe de granulats donné ................. 163 Figure 8.2 : fonction de densité en nombre d’un groupe de granulat donné.......................... 164 Figure 8.3 : exemple d’une courbe granulométrique ............................................................. 165 Figure 8.4 : discrétisation de la fonction de densité en nombre ............................................. 167 Figure 8.5 : exemple cas d’effets de paroi et de desserrement............................................... 174 Figure 9.1 : Illustration de la théorie de la pâte en excès ....................................................... 182 Figure 9.2 : théorie de la pâte en excès – composition d’un béton [OH99]........................... 183 Figure 9.3 : épaisseur de pâte en excès autour d’un granulat dans une classe donnée........... 184 Figure 9.4 : épaisseur de pâte pour un granulat selon les deux approches............................. 185 Figure 9.5 : Organigramme de calcul de l’épaisseur de la pâte en excès............................... 186 Figure 9.6 : Epaisseur de la pâte en excès proportionnelle à la taille du diamètre................. 189 Figure 9.7 : Paramètre k des différents bétons réalisés et tirés de la littérature ..................... 191 Figure 9.8 : évolution du paramètre k en fonction du rapport G/S ........................................ 196 Figure 9.9 : proportion volumique d’eau retenue par le squelette granulaire (G/S) .............. 197 Figure A4.1 : Seuil dynamique / concentration volumique en solides pour des dosages SP
fixes ................................................................................................................................. 219 Figures A5.1.a : Comparaison expérience / modèle pour la réponse Visma ......................... 221 Figures A5.1.b : Comparaison expérience / modèle pour la réponse log(Seuil).................... 221 Figure A5.2 : Nuages de points entre constituants et réponses.............................................. 222 Figure A5.3.a : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Etal)........................... 223 Figure A5.3.b : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Vismi) ....................... 223 Figure A5.3.c : Arbre binaire des variables C, SP, AV et E (réponse Visma)....................... 223
Liste des tableaux 227
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 : Propriétés d’ouvrabilité des BAP et les moyens de mise en œuvre ................... 14 Tableau 1.2 : Critères de stabilité (GTM) ................................................................................ 21 Tableau 1.3 : Caractérisation des bétons autoplaçants par les tests empiriques ...................... 24 Tableau 1.4 : Propriétés rhéologiques des BAP....................................................................... 29 Tableau 1.5 : Comparaison BAP-BO au niveau de la formulation.......................................... 38 Tableau 1.6 : Limites générales de dosages pour les constituants des bétons autoplaçants
[RIL01] .............................................................................................................................. 39 Tableau 2.1 : modèles de prédiction de seuil de cisaillement .................................................. 46 Tableau 2.2 : schémas exemples des paramètres ajustables des polymères [TAG]................. 53 Tableau 2.3 : Rôles des principaux paramètres dans l’écoulement et la formulation des BAP62 Tableau 3.1.a : Propriétés physiques du ciment et du filler calcaire ........................................ 66 Tableau 3.1.b : Analyse chimique moyenne du ciment et du filler calcaire ............................ 67 Tableau 3.2 : Caractéristiques des adjuvants ........................................................................... 67 Tableau 3.3.a : analyses menées sur le superplastifiant ........................................................... 67 Tableau 3.3.b : analyses menées sur l’agent de viscosité......................................................... 68 Tableau 3.4 : Procédure de malaxage des pâtes de ciment ...................................................... 68 Tableau 3.5 : Procédure expérimentale totale pour un mélange type (LMDC) ....................... 76 Tableau 3.6 : Procédure expérimentale totale pour un mélange type (ENSTIMAC) .............. 80 Tableau 4.1 : proportions volumiques des constituants des suspensions fluides ..................... 82 Tableau 4.2 : Valeurs des écart-types des réponses rhéologiques............................................ 83 Tableau 4.3 : composition des pâtes de ciment ........................................................................ 85 Tableau 5.1 : Contraintes individuelles implicites sur chaque constituant (proportions
volumiques) ..................................................................................................................... 102 Tableau 5.2 : Points candidats pour la constitution de la matrice d’expériences................... 103 Tableau 5.3 : Solutions optimales pour la détermination de la matrice d’expériences .......... 104 Tableau 5.4 : Matrice d’expériences de l’étude ..................................................................... 106 Tableau 5.5 : Points Tests de la matrice d’expériences.......................................................... 106 Tableau 5.6 : Valeurs expérimentales des réponses de la matrice d’expériences .................. 107 Tableau 5.7 : Valeurs expérimentales des réponses des points tests...................................... 108 Tableau 5.8 : Incertitudes sur les pesées des constituants...................................................... 109 Tableau 5.9 : Composition du mélange optimal .................................................................... 114 Tableau 5.10 : Réponses du modèle et de l’expérience ......................................................... 114 Tableau 5.11 : Matrice de corrélation .................................................................................... 117 Tableau 5.12 : Résultats de l’analyse de la variance des réponses ........................................ 118 Tableau 5.13 : influences hiérarchisées des constituants sur les réponses............................. 123 Tableau 5.14 : Interactivités entre les Constituants pour toutes les réponses ........................ 128 Tableau 6.1 : caractéristiques des granulats ........................................................................... 136 Tableau 6.2 : Essais d’ouvrabilité sélectionnés...................................................................... 141 Tableau 7.1 : Composition d’un volume unité de béton (1 mètre cube) ................................ 146 Tableau 7.2 : exemple de procédure expérimentale de constitution d’un BAP ..................... 148 Tableau 7.3 : Composition du volume ajouté VBAB................................................................... 149 Tableau 7.4 : Composition finale des bétons confectionnés (kg/mP
3P) ..................................... 150
Tableau 7.5 : valeurs des écart-types sur toutes les réponses................................................. 150 Tableau 7.6.a : Ouvrabilité des bétons aux granulats roulés.................................................. 151 Tableau 7.6.b : Ouvrabilité des bétons aux granulats concassés............................................ 151 Tableau 7.7 : Réponses rhéologiques des bétons confectionnés (granulats concassés)......... 153 Tableau 7.8 : Résistances à 28 jours des bétons confectionnés ............................................. 154
Liste des tableaux 228
Tableau 7.9 : Composition du volume ajouté des bétons B3 et B4 ....................................... 154 Tableau 7.10.a : Ouvrabilité et résistance à 28 jours des bétons B3 et B4 ............................ 155 Tableau 7.10.b : Réponses rhéologiques des bétons B3 et B4............................................... 155 Tableau 7.11 : Eau retenue par le squelette et eau ajoutée aux bétons confectionnés ........... 157 Tableau 7.12 : Ouvrabilité et résistance à 28 jours des bétons des séries B5 et B6............... 159 Tableau 8.1 : Equations de conservation des moments statistiques ....................................... 167 Tableau 8.2 : Valeurs des diamètres représentatifs et arithmétiques des classes granulaires 170 Tableau 8.3 : Variation relative du nombre des particules calculé ........................................ 171 Tableau 8.4 : passants cumulés (%) des squelettes granulaires roulés................................... 175 Tableau 8.5 : passants cumulés (%) des squelettes granulaires concassés............................. 176 Tableau 8.6.a : Caractéristiques des tranches granulaires (granulats roulés)......................... 177 Tableau 8.6.b : Caractéristiques des tranches granulaires (granulats concassés)................... 177 Tableau 8.7 : Compacités expérimentales des squelettes granulaires (> 0,08 mm)............... 178 Tableau 8.8 : Compacités maximales des squelettes granulaires des bétons confectionnés.. 178 Tableau 8.9 : Surfaces granulaires des bétons confectionnés ................................................ 180 Tableau 9.1 : Epaisseur de la pâte en excès des bétons de la série B2 – Approche à partir de la
surface granulaire ............................................................................................................ 187 Tableau 9.2 : Epaisseur de la pâte en excès des bétons de la série B2 – Approche à partir de la
taille moyenne des granulats............................................................................................ 188 Tableau 9.3 : valeurs du paramètre k des bétons autoplaçants confectionnés ....................... 191 Tableau 9.4 : composition du béton obtenu ........................................................................... 197 Tableau 9.5 : Ouvrabilité du béton obtenu............................................................................. 197 Tableau A4.1 : viscosités apparentes à 4 sP
-1P, et concentrations volumiques en solides des
suspensions fluides de l’analyse paramétrique................................................................ 217 Tableau A4.2 : valeurs des différents types de seuil de cisaillement des pâtes de ciment de
l’analyse paramétrique..................................................................................................... 218 Tableau A4.3 : Viscosités apparentes des pâtes de ciment à différents gradient de vitesse .. 220
Maher EL BARRAK
Contribution to the study of the flow property of self compacting concretes at fresh state
PhD Thesis, Civil Engineering speciality
University of Toulouse III – Paul Sabatier
Laboratory of Materials and Durability of Constructions INSA/UPS – civil engineering
Abstract : This work takes place within the framework of several research projects aiming to understand and control the self-compacting properties of concrete in the fresh state. Paste and concrete scales are considered. The rheology of paste is studied according to cement, limestone filler, superplasticizer, viscosity agent and water proportionings. The influence of each component, as well as constituent interactivities on yield stress, viscosity and slump flow, are highlighted using the experimental plan technique. A composition of self-compacting paste is deduced. When associating a granular skeleton to the optimal paste, self-compacting concrete can be obtained, additioning an amount of water beyond that retained by the aggregates. This supplement can be replaced by the equivalent volume of optimal paste. The theory of excess paste makes it possible to quantify the volume of paste necessary to the self-compacting flow. A representative diameter of each granular size group is established using the statistic momentum of the distribution. Coupling this representation with the compressible packing model, a homothetic factor is defined between the diameter of aggregate and the diameter of paste covered aggregate. It allows us to propose a mix design method for self-compacting concrete. Key-words : Self-Compacting Concrete SCC, cement paste, workability, rheology, mix design, constituents, interactivities, mixture experiment, representatif diameter, excess paste, granular skeleton.