5.1. Introduction
La méthodologie employée dans ce projet de recherche a permis d’évaluer quelques mélanges de béton projeté par voie sèche. Dans le chapitre précédent, les données générées lors de cette évaluation ont été présentées. Quelques idées ont d’ailleurs été soulevées suivant le comportement des mélanges à l’état frais et durci. Maintenant que les résultats ont été présentés et que quelques pistes de réflexion ont été amenées, il serait pertinent d’en discuter véritablement et d’étendre davantage ces idées.
Il sera question dans le présent chapitre d’analyser les résultats présentés dans le chapitre précédent. En effet, cette portion du document servira de berceau aux idées précédemment soulevées de manière à étendre la discussion au-delà des limites qui accompagnent les résultats de cette étude. L’analyse sera divisée en trois sections principales : les mélanges à haute efficience, les mélanges avec matériaux substituts et l’analyse économique. Les deux premières sections seront ensuite divisées en trois sous-sections chacune suivant la présentation des résultats du chapitre précédent : le comportement en projection, la caractérisation à l’état frais et la caractérisation à l’état durci.
5.2. Mélanges à haute efficience
5.2.1.
Aluminosilicate de magnésium
Conformément aux hypothèses de départ, la présence d’ASM dans les mélanges de béton projeté par voie sèche a effectivement permis de réduire la quantité de rebond. À une consistance égale de 1 MPa, le rebond du mélange ASM est de 15% ce qui correspond à une réduction de l’ordre de 8% par rapport au mélange de référence. On pourrait donc dire que cet ajout a un bon potentiel dans les mélanges de béton projeté à haute efficience. En fait, l’ASM permettait d’ajouter beaucoup d’eau au béton sans avoir de problème de stabilité sur la surface réceptrice. Tel que discuté précédemment dans le document, l’augmentation de la teneur en eau dans le béton projeté engendre une diminution de la consistance ainsi qu’une diminution du rebond. Par conséquent, le comportement des bétons projetés
contenant de l’ASM sont particulièrement intéressant dans l’optique de la réduction du rebond.
Cependant, quelques aspects négatifs accompagnent l’augmentation du rapport E/L dans le béton. De manière générale, un rapport E/L plus élevé est réputé diminuer la résistance mécanique du béton et augmenter sa porosité (Neville, 2000). C’est exactement ce qui a été observé avec les mélanges contenant de l’ASM. Par exemple, la résistance en compression du mélange ASM était de 31 MPa à 28 jours pour une consistance moyenne, une réduction de 37% par rapport au mélange de référence équivalent. La porosité de ce béton, 18% du volume en pores perméables, était également plus grande que celle du mélange de référence à consistance moyenne, soit une augmentation de 3%.
En ce qui concerne la présence de FS dans ce type de mélange (ASM+10FS), il n’y a pas eu d’effet important sur la quantité de rebond du béton. Par contre, la résistance en compression du béton a été réduite et sa porosité augmentée. Ce comportement est dû au fait que la fumée de silice a tendance à forcer l’ajout d’eau au mélange lors de la projection (ACI-506R-16, 2016). Cette quantité d’eau ajoutée vient ainsi augmenter le rapport E/L du mélange. Dans ce contexte, le remplacement du ciment par la FS dans ce type de mélange est peut-être seulement utile au meilleur ajustement de la teneur en eau et à la réduction de poussière (Wolsiefer et Morgan, 1993). Bref, l’ASM a un bon potentiel dans les mélanges de béton projeté à haute efficience, mais il faut faire en sorte de limiter l’ajout d’eau dans ce béton sans quoi sa résistance mécanique et son potentiel de durabilité pourrait être réduits.
5.2.2.
Gomme de diutane
Au contraire, la GD ajoutée aux mélanges de béton projeté par voie sèche n’a pas permis de réduire le rebond en projection. En fait, le rebond a même été augmenté de 10% par rapport au mélange de référence à une consistance équivalente de 1 MPa, passant de 23% pour le mélange de référence à 33% pour le mélange GD. C’est un comportement qui s’est avéré contraire aux hypothèses de départ selon lesquelles la GD donnerait un comportement pseudo-plastique au béton réduisant par conséquent son rebond durant la projection.
Ces résultats inattendus ont soulevé plusieurs questionnements face au potentiel de ce produit dans le cadre du programme de recherche. Un tel comportement pourrait
probablement être expliqué par un temps de contact insuffisant entre l’eau et la GD avant la sortie de la lance. La GD et l’eau pourraient ne pas avoir subi un malaxage suffisant pour activer adéquatement cet ajout. Dans ce contexte, le procédé de projection pneumatique par voie sèche pourrait donc ne pas être compatible avec la GD en termes de réduction de rebond. C’est particulièrement suivant ces conclusions que le potentiel d’utilisation d’un préhumidificateur a été soulevé. Le préhumidificateur offrirait la possibilité de mettre en contact la GD avec une partie de l’eau quelques minutes avant son introduction dans le canon de projection. Cette technique pourrait permettre d’activer la GD de manière à profiter de ces avantages rhéologiques dans l’optique de la réduction du rebond.
Du point de vue de la résistance en compression, le mélange GD s’est comporté de manière assez semblable au mélange de référence. À échéance de 28 jours, la résistance en compression de ces deux mélanges était d’environ 50 MPa. Autrement, on pourrait aussi dire que la GD a réduit la porosité du béton projeté. À une consistance de 1 MPa, l’absorption du mélange GD était de 6% alors que celle du mélange 10FS était de 7%, une réduction de 1%. La FS dans le mélange GD+10FS a eu peu d’effets sur le rebond, puis a réduit la résistance en compression et augmenté la porosité. On peut donc tirer les mêmes conclusions pour la FS dans le mélange GD que lorsque celle-ci est utilisée avec l’ASM. Finalement, la GD n’a pas montré de potentiel dans les mélanges de béton projeté à haute efficience selon la méthodologie employée. Par contre, l’activation de cet agent par la technique de la préhumidification pourrait peut-être permettre d’atteindre le comportement escompté.
5.2.3.
Superplastifiant
Le comportement du mélange avec SP s’est également avéré contraire aux idées établies au départ. La présence de cet agent dans le mélange de béton projeté par voie sèche a rendu presque impossible sa projection à une consistance humide. De ce fait, le rebond de ce mélange est resté élevé. Les résultats montrent une consistance et un rebond significativement supérieurs à toute autre valeur obtenue sur les autres mélanges. Par exemple, un rebond de 55% pour la seule consistance stable (la plus humide) possible de projeter, soit une augmentation d’environ 30% par rapport au mélange de référence aux consistances moyenne et humide.
Tel que mentionné dans le chapitre précédent, le mélange était très difficile à projeter : le moindre ajout d’eau rendait le mélange complètement liquide. C’est pour cette raison qu’aussi peu d’eau a été ajoutée au béton lors de la projection. On parle d’un rapport E/L de seulement 0,21 pour ce mélange. C’est vraisemblablement ce qui explique la résistance mécanique si élevée de ce béton (près de 70 MPa à 28 jours), ainsi que sa porosité très faible (2% d’absorption). Il est possible que le dosage élevé de cet ajout ait contribué au comportement extrême de ce béton. Cependant, on peut douter du potentiel de cet ajout même à faible dosage. Ces observations confirment les conclusions de travaux précédents sur l’utilisation d’agents réducteurs d’eau (Pfeuffer et Kusterle, 2001).
Néanmoins, suite aux recommandations soulignées relativement à l’utilisation de l’ASM dans le béton projeté par voie sèche, il est possible que le SP puisse être utile en combinaison avec ce dernier ajout. En effet, le SP pourrait permettre de limiter la quantité d’eau ajoutée par le lancier durant la projection en contrôlant la consistance stable la plus humide tout en conservant les avantages rhéologiques offerts par l’ASM. Toutefois, l’utilisation de plusieurs ajouts dispendieux dans un mélange de béton projeté pourrait nuire à sa légitimation dans l’industrie. Bref, le SP n’est pas un ajout de choix dans les mélanges de béton projeté à haute efficience, mais il pourrait être utilisé en combinaison avec un autre ajout pour pallier aux faiblesses de ce dernier.
5.2.4.
Consistance optimale et «wettest stable consistency»
Tel qu’il a été expliqué précédemment, la consigne de projection actuellement dictée dans le Guide pour les lanciers de béton projeté est la «wettest stable consistency» (Beaupré et Jolin, 2000). Cette consigne veut que le béton soit projeté à la consistance stable la plus humide de manière à réduire le rebond et à assurer l’enrobage des barres d’armature. Dans le programme expérimental de cette recherche, le mélange avec ASM a effectivement atteint des consistances et des rebonds très faibles lorsque projeté suivant cette consigne. L’ASM a été très performant en permettant l’ajout d’une grande quantité d’eau dans le béton projeté. Ce comportement est intéressant dans la mesure où l’on cherche à obtenir des mélanges de béton projeté à haute efficience. L’inconvénient de ce comportement est que le rapport eau sur liant (E/L) augmente à mesure que le lancier ajoute de l’eau au mélange. Pfeuffer et Kusterle (2001) ont observé un comportement similaire avec deux agents épaississant différents, la gomme xanthane et la sépiolite :
The finely ground admixtures together with the water and cement, and because of the large quantity of water they require, form a plastic suspension, which promotes the consistency of the freshly sprayed concrete (increase of cohesion and adhesion) and reduces rebound.
Ils arrivent eux aussi à une conclusion semblable :
Unfortunately, due to the high water–cement ratio, compressive strength also decreases up to 40%; in the shotcrete practice, this is of decisive importance.
Avec la disponibilité et l’utilisation grandissante des ajouts tels l’ASM et suivant la réflexion présentée précédemment concernant l’influence de la teneur en eau sur la qualité du béton, deux questions apparaissent comme essentielles. Il faut se demander, premièrement, si la consigne de la «wettest stable consistency» qui a si bien servi l’industrie jusqu’à présent est toujours souhaitable et, deuxièmement, comment elle peut être améliorée.
Pour commencer, il faut admettre que la conception des mélanges modernes est assez différente de celle des mélanges sable-ciment utilisés à l’époque du «gunite». Avec ces derniers, les limites de teneur en eau qui assurent la stabilité sont très peu étendues : avec trop peu d’eau, la compaction est insuffisante étant donné la rigidité élevée du matériau et la résistance mécanique est réduite (Zynda, 1978); à l'inverse, lorsqu’on ajoute trop d'eau au mélange, le «gunite» glisse sur la surface. La consigne de la «wettest stable
consistency» contrôle donc autant la réduction du rebond que la compaction adéquate du
matériau. Cependant, dans un mélange moderne incorporant des gros granulats et de la fumée de silice, les limites de teneur en eau sont beaucoup plus étendues et créent un mélange plus robuste. Par conséquent, on pourrait dire qu’aujourd’hui la consigne de «wettest stable consistency» est recommandée pour contrôler le rebond et assurer l’enrobage des barres d'armature (Beaupré et Jolin, 2001), mais pas comme un facteur de compaction comme elle l’était pour le «gunite».
D’autre part, les ajouts cimentaires ont complètement changé la façon dont le béton projeté par voie sèche répond à l’ajout d’eau par le lancier. D’ailleurs, la fumée de silice a déjà montré sa pertinence dans l’industrie et confirmé sa compatibilité avec la consigne de la «wettest stable consistency» (Jolin et al., 2002). En fait, leur utilisation s’est montrée efficace dans la réduction du rebond et l’augmentation de l’épaisseur de projection. Dans certains cas, cependant, le lancier peut augmenter la teneur en eau jusqu’à un niveau ou les
propriétés mécaniques et la durabilité du béton projeté sont réduites rendant incomplète la consigne de la «wettest stable consistency» tel qu’on la connait aujourd’hui.
À mesure que l’industrie du béton projeté adapte ses mélanges en fonction des nouveaux ajouts rhéologiques et améliore les équipements de projection, il est maintenant temps de réévaluer et de redéfinir la recommandation actuelle basée sur ce qui est considéré comme la consistance optimale. Il faut se demander comment améliorer la manière dont le béton projeté par voie sèche sera abordé dans le futur. De nos jours, une consigne sur la consistance du béton projeté appliquée de manière universelle n’est pas suffisante pour garantir la qualité du béton projeté et sa durée de vie.
L’influence des nouveaux agents rhéologiques sur la teneur en eau et la consistance des mélanges et, conséquemment, sur la performance du béton projeté devrait être rigoureusement étudiée selon des tests appropriés et une méthodologie adéquate. En fonction des besoins de chaque chantier, l'ingénieur concepteur et l'entrepreneur peuvent ensuite choisir le produit le plus approprié et donner des recommandations cohérentes pour assurer la qualité du matériau en place. Une collaboration claire et efficace entre le producteur de béton, l'ingénieur concepteur et l'entrepreneur est donc d'une importance vitale dans la réussite d'un projet.
Le rôle des producteurs de béton projeté est aussi important que celui des autres acteurs dans un projet : les mélanges qu’ils produisent ont un effet direct autant sur la qualité du procédé de mise en place que sur le matériau lui-même. Par exemple, il a été prouvé qu’une granulométrie optimisée des granulats est essentielle pour garantir les propriétés optimales du béton projeté par voie sèche (Jolin et Beaupré, 2004) et que l’utilisation de granulats grossiers d’une certaine taille maximale facilite la projection, augmente l’épaisseur de projection, la résistance mécanique, l’enrobage des barres d’armatures et la durabilité du béton (Reny et Jolin, 2011).
Une fois que le comportement et les limites d’un mélange donné sont caractérisés, la mesure de la consistance du béton projeté frais permet de donner des informations sur la qualité et la performance du matériau, même si certains essais standards doivent tout de même être réalisés. Le pénétromètre statique de poche est un outil simple, abordable et fiable pour donner une valeur instantanée de la consistance du béton projeté en place (Jolin
et al., 2002). C’est une manière rapide et facile de s’assurer que le béton a été projeté à la
consistance appropriée dans les limites adéquates de teneur en eau.
D’autre part, un nouvel aspect du procédé de projection pourrait être développé suivant les comportements observés avec ces agents rhéologiques. Cet aspect correspond au travail de synchronisation du procédé en fonction de la rhéologie du mélange et du rebond. En fait, certains outils robotisés peuvent faire en sorte de tirer avantage de la rhéologie du béton projeté contenant des additifs pour atteindre des rebonds très faibles et un béton projeté de haute qualité en optimisant la synchronisation des mouvements de la lance. C’est une avenue prometteuse qui est actuellement investiguée au Laboratoire de Béton Projeté de l’Université Laval dans la continuité de travaux sur le procédé de mise en place du béton projeté (Ginouse et Jolin, 2016; Ginouse et al., 2014).
5.2.5.
Préhumidification
L’objectif premier de la préhumidification en béton projeté par voie sèche est généralement la diminution de poussière lors de la projection. Cette technique permet également d’améliorer l’homogénéité du béton projeté en évitant la création de lentilles de sable, d’augmenter la durée de vie des équipements en réduisant l’usure par friction, puis de diminuer la quantité d’électricité statique (ACI-506R-16, 2016). Certains disent que la préhumidification diminue la quantité de rebond en béton projeté par voie sèche, mais il semble que cette idée ne soit pas partagée de tous. En effet, les recherches à ce sujet semblent arriver à des conclusions assez partagées.
Par exemple, Armelin et al. (1997) ont montré dans leurs travaux que la préhumidification avait tendance à augmenter le taux de rebond des mélanges de béton projeté par voie sèche à une consistance équivalente. Par contre, cette technique aurait pour effet de diminuer le rapport E/L du béton projeté pour une même consistance. Ce comportement contribuerait ainsi à l’augmentation de la résistance en compression pour les mélanges préhumidifiés par rapport aux mélanges standards à consistance équivalente. Ces conclusions sont assez étranges considérant qu’une diminution de la consistance du béton projeté est généralement accompagnée d’une diminution de la quantité de rebond. Dans cette étude, aucune piste n’est émise quant à la cause de ce comportement; on s’intéresse seulement à l’influence de la préhumidification sur l’augmentation de la résistance en compression.
Quelque temps plus tard, Jolin (1999) a présenté des observations contraires à celles d’Armelin et al. (1997). En effet, dans ces nouveaux travaux, le taux de rebond du mélange préhumidifié était effectivement inférieur à celui du mélange de référence. La préhumidification entraînait encore une diminution de la consistance, mais, dans ce cas-ci, elle était accompagnée d’une augmentation du rapport E/L. Il est admis que la cause de cette diminution du rebond n’est pas encore expliquée, mais elle pourrait s’approcher de la théorie d’empilement des particules. Le contact entre l’eau et le ciment générerait des particules plus grosses, modifiant ainsi la distribution granulométrique du béton et diminuant conséquemment la viscosité (Jolin, 1999).
Dans le cadre de la recherche actuelle et conformément aux conclusions des deux dernières études mentionnées, la consistance de l’ensemble des mélanges a diminué avec l’utilisation du préhumidificateur. La préhumidification a entraîné une augmentation du taux de rebond pour le mélange de référence et le mélange avec ASM. L’hypothèse qui semble la plus plausible fait référence aux dernières études récentes en béton projeté. En effet, il a été démontré que la distribution des vitesses dans le jet de béton du procédé de projection par voie sèche était concentrée au centre du jet (Ginouse et al., 2014). Le principe de l’énergie élevée des particules au centre du jet et de la faible énergie des particules au pourtour de celui-ci, supporté par la théorie d’Armelin (1997) sur le rebond des particules, pourrait donc expliquer le rebond souvent plus élevé en béton projeté par voie sèche. Maintenant, si l’on met en relation ces théories avec les observations faites dans la présente étude, on peut effectivement émettre une hypothèse pour expliquer l’augmentation du taux de rebond de certains mélanges préhumidifiés.
En fait, il faut commencer par admettre que l’énergie de friction du béton dans la conduite est proportionnelle à sa teneur en eau. La cohésion du ciment hydraté est effectivement responsable de cette demande en énergie. Un mélange préhumidifié, dans lequel la pâte de ciment en partie hydraté colle à la paroi, générera donc plus de friction dans la conduite que le même mélange sans préhumidification. Sachant cela, on peut alors s’attendre à ce que le profil de vitesse d’un mélange préhumidifié soit encore plus concentré au centre du jet. Les particules au pourtour du jet auraient donc encore moins d’énergie pour se rendre à la surface réceptrice et y pénétrer, puis les particules au centre du jet auraient encore plus d’énergie relativement à celles du pourtour. Ce serait pour cette raison que la
préhumidification des mélanges 10FS et ASM a entraîné une augmentation du rebond d’environ 5% et 15%, respectivement.
Dans le cas de la GD, le rebond du mélange projeté avec et sans préhumidification est resté sensiblement le même. Cependant, tel qu’expliqué précédemment, la GD dans le béton projeté par voie sèche n’a pas semblée pouvoir être activée. C’est probablement le temps de contact entre l’eau et la GD qui était trop court pour permettre l’activation de cette