Chapitre 5 : L’embout de lance
5.5. Longueur optimale de l’embout de lance
5.7.4. Essais à l’état durci
Résistance en compression, absorption et volume des pores perméables
Le Tableau 5.3 présente les résultats de la résistance en compression du béton projeté obtenus avec les lances Prototype 2 et Prototype 2 mod à 7 et à 28 jours, ainsi que l’absorption et le volume des pores perméables à 28 jours.
θ
sup≈1,8°
106
Tableau 5.3 : Résistances en compression, absorption et volumes des pores perméables du béton standard MS-D1
Lance fc - 7j (MPa) fc - 28j (MPa) Absorption (%)
Volume des pores perméables (%)
Prototype 2 33,8 42,6 8,8 18,8
Prototype 2 mod 36,5 43,2 7,0 14,8
Les lances Prototype 2 et Prototype 2 mod produisent respectivement des bétons ayant une résistance en compression supérieure de 12,5% et 14,1% comparativement aux bétons à rapport eau/ciment élevé produits par la lance Prototype 1 (Tableau 4.5).
D’après la classification de D. Morgan et al. (1987), le béton produit avec la lance Prototype 2 affiche une absorption acceptable tandis que le béton produit par la lance Prototype 2 bis se retrouve dans la catégorie bonne. Ainsi les absorptions sont comparables aux résultats obtenus avec la lance Prototype
1 (Figure 4.25). Ces résultats sont typiques de la wettest stable consistency.
5.8.
Analyse des résultats
Étant donné le petit nombre d’essais réalisés, les résultats énoncés précédemment sont à considérer avec prudence. De plus, devant l’absence de critère de comparaison entre les bétons projetés tel le rapport eau/ciment, l’analyse ne peut se limiter qu’aux observations directes. Le cheminement de l’analyse présentée ci-dessous suivra les mêmes étapes que dans la partie précédente.
5.8.1. À l’état frais
Rebond
Bien que l’embout prototype n’ait pas engendré des améliorations considérables en termes de rebond à la vue des résultats énoncés, son effet sur le jet de béton ainsi que son intérêt sera étudié dans la suite de cette section.
L’amélioration de la valeur du rebond entre les essais réalisés avec la lance Prototype 2 bis et ceux réalisés avec la lance Prototype 2 est attribué à la suppression de la lèvre annulaire de plastique à la sortie de l’air en pourtour de l’embout. Il semblerait que cette proéminence soit à l’origine d’une
107
turbulence au sein du jet d’air, ce qui aurait une incidence sur l’écoulement du béton à la sortie de la lance, occasionnant un niveau plus élevé de rebond. Une étude comparative des profils de vitesse en sortie de lance entre la lance Prototype 2 et la lance Prototype 2 bis pourrait confirmer ou infirmer cette théorie. Cependant, cette étude ne sera pas réalisée dans ce projet de maîtrise.
Finalement, la valeur de rebond de 9,4% obtenue avec la lance Prototype 2 bis constitue une valeur particulièrement faible dans le domaine du béton projeté par voie sèche. Ce résultat est comparable aux valeurs minimales obtenues lors de la phase précédente du projet, soit 9,0 et 11,8% (Figure 4.18). La conception semble donc encourageante. Cependant, il semble difficile de comparer de manière rigoureuse les différents résultats pour les raisons évoquées lors de l’introduction de cette partie.
Étude du jet de béton en sortie de lance
Suite à l’analyse des vitesses des particules à l’aide du logiciel ProAnalyst®, il est possible d’obtenir une approximation du profil de vitesse ordre grâce à Matlab®. À une distance de 0,5 mètre, le profil de vitesse s’apparente à une fonction gaussienne de 1er ordre dont l’équation est :
𝐹(𝜂(𝑥, 𝑦)) = 𝑎1∗ 𝑒
−(𝜂(𝑥,𝑦)−𝑎𝑎 2
3 )
2
La Figure 5.26 présente ce profil de vitesse.
108
Figure 5.26 : Profil de vitesse du jet de béton produit par la lance Prototype 2 à une distance de 0,5 mètre
À une distance de 1 mètre, le profil de vitesse s’apparente à une fonction gaussienne de 2ème ordre dont l’équation est :
𝐹(𝜂(𝑥, 𝑦)) = 𝑎1∗ 𝑒 −(𝜂(𝑥,𝑦)−𝑎2 𝑎3 ) 2 + 𝑏1∗ 𝑒 −(𝜂(𝑥,𝑦)−𝑏2 𝑏3 ) 2
La Figure 5.27 présente ce profil de vitesse.
Vitesse axiale u (m/s) R ay on aut our d e l’ axe de pr oj ec ti on (m m ) (5.2)
109
Figure 5.27 : Profil de vitesse du jet de béton produit par la lance Prototype 2 à une distance de 1 mètre
On remarque tout d’abord que les profils adoptent une forme quelque peu différente à 0,5 et 1 mètre. À 0,5 mètre, le profil s’apparente à une cloche, phénomène typique du procédé par voie sèche (Ginouse, 2014), avec une vitesse maximale au centre du jet se situant entre 26 et 27 m/s, et la vitesse des particules périphériques diminuant jusqu’à atteindre 21 m/s. À 1 mètre, le profil de vitesse s’apparent lui aussi à une cloche, mais la base est beaucoup plus évasée : les particules centrales se déplacent à une vitesse située entre 26 et 27 m/s, tandis qu’une majorité des particules périphériques se déplacent à une vitesse de l’ordre de 22 à 24 m/s.
La Figure 5.28 présente le profil de vitesses à 0,5 et 1 mètre sur un même graphique. Vitesse axiale u (m/s) R ay on aut our d e l’ axe de pr oj ec ti on (m m )
110
Figure 5.28 : Vitesses expérimentales et profils de vitesse du jet de béton produit par la lance Prototype 2 à une distance de 0,5 mètre (en bleu) et à une distance de 1 mètre (en gris)
En premier lieu, on remarque que le sommet du profil de vitesse, i.e. là où la vitesse est maximale, ne se situe pas sur l’axe central des abscisses. De plus, ce sommet dévie le long de l’axe de projection, pour se retrouver plus bas à 1 mètre. Ce phénomène est attribué à l’orientation de l’embout lorsque la lance a été déposée sur le pied de projection : l’embout ne devait pas être parfaitement horizontal lors de l’enregistrement ce qui engendre la direction du jet vers le sol.
Puis, on peut observer la modification de la forme adoptée par le profil de vitesses entre 0,5 et 1 m tel que mentionné précédemment. Ainsi, on en déduit que le flux de matériau évolue en s’éloignant de la sortie de l’embout prototype : l’ajout d’air en périphérie semble montrer son potentiel au travers de ce phénomène. L’hypothèse est, qu’à 0,5 mètre de la sortie de l’embout, les particules périphériques sont encore en phase d’accélération étant donné une vitesse plus importante de ces particules à un mètre. À l’opposé, les particules centrales ne montrent aucune augmentation de vitesse entre 0,5 et 1 mètre, celles-ci ont déjà atteint leur vitesse maximale à 0,5 mètre. Ainsi, contrairement aux autres lances, seules les particules périphériques accélèrent entre 0,5 et 1 mètre et non toutes les particules. Ainsi, le noyau potentiel, comme défini dans la partie 2.2.3, ne semble profiter qu’aux
Vitesse axiale u (m/s) R ay on aut our d e l’ axe de pr oj ec ti on (m m )
111
particules les plus à l’extérieur. Il pourrait être judicieux à l’avenir d’étudier l’évolution du jet le long de l’axe de projection pour en déduire une distance optimale de projection. Par ailleurs, le phénomène de dilatation du profil est encore présent mais semble limité.
La Figure 5.29 établit la comparaison des profils produits par les lances Prototype 1 et Prototype 2. Cette figure permet d’apprécier l’homogénéité accrue des vitesses dans le jet de béton projeté par la lance Prototype 2. Encore une fois, la déviation verticale à 1 mètre n’est pas significative.
Figure 5.29 : Comparaison des profils de vitesse à 1 mètre des lances Prototype 1 et Prototype 2
Soit le gradient de vitesse défini par la relation suivante :
∆𝑉𝑝𝑟𝑜𝑓𝑖𝑙𝑒= 𝑉𝑚𝑎𝑥− 𝑉𝑚𝑖𝑛
Le gradient pour les deux profils de la figure précédente sont présentés dans le Tableau 5.4. Vitesse axiale u (m/s) R ay on aut our d e l’ axe de pr oj ec ti on (m m )
112
Tableau 5.4 : Gradient de vitesse pour les lances Prototype 1 et Prototype 2
Lance Prototype 1 Prototype 2
Gradient de vitesse (m/s) 28,4 - 16,5 = 11,9 26,7 - 22,6 = 4,1
Le gradient de vitesse du profil de la lance Prototype 1 est près du triple de celui de la lance Prototype
2. L’embout de lance prototype a donc pour effet d’« aplanir » le profil de vitesse, en diminuant le
gradient de vitesse. Le profil de vitesse est alors plus homogène. On peut ainsi dire que l’embout prototype apporte de la robustesse au procédé de projection.
Par ailleurs, on remarque que la vitesse maximale du jet de béton produit par la lance Prototype 2 est inférieur à celui de la lance Prototype 1 d’environ 2 m/s. L’hypothèse est que le débit d’air dans le tuyau d’acheminement des matériaux n’était pas assez élevé lors de la projection avec la lance
Prototype 2. Ainsi, les particules n’avaient pas un niveau d’énergie suffisant. Étant donné que la
vitesse est à la puissance 2 dans le calcul de l’énergie cinétique, la vitesse inférieure est d’autant plus détrimentaire pour l’énergie. Bien que qu’une valeur de rebond de 10,3% soit déjà très faible, nous nous attendions à une réduction du rebond davantage marquée. En augmentant le débit d’air dans la conduite ainsi qu’à la lance, on pourrait espérer augmenter la vitesse maximale des particules tout en diminuant le gradient de vitesse du jet. Le rebond pourrait s’en trouver diminué. Cette observation va dans le sens des hypothèses d’Armelin (1997) vis-à-vis du coefficient de restitution présenté à la Figure 2.7.
De plus, l’origine du manque d’air dans le tuyau d’acheminement des matériaux peut être dû au fait que l’air utilisé à la lance et à la machine provient de la même conduite d’air au laboratoire. Le fait d’ouvrir la valve d’air à la lance a certainement une influence sur le débit d’air à la machine. Il se pourrait par exemple que l’ajout d’air à la lance entraîne un manque d’air à la machine.
La Figure 5.30 établit la comparaison des profils de vitesse de manière absolue entre les différents équipements étudiés au cours de ce projet et de celui de Ginouse (2014) : anneau de mouillage traditionnel équipé des embouts Spirolet (Dry-SP) et Double Bubble (Dry-DBB) ainsi que la lance
Prototype 1 et la lance Prototype 2. Bien qu’on puisse à nouveau souligner la faible valeur de vitesse
maximale offerte par la lance Prototype 2, on peut largement apprécier l’homogénéité du profil de vitesse de cette lance vis-à-vis de ceux des autres équipements ainsi que le faible angle d’expansion.
113
Figure 5.30 : Comparaison des profils de vitesse obtenus avec différentes lances et le mélange standard (adapté de Ginouse (2014))
De la même manière qu’à la section précédente, il est possible d’effectuer une normalisation des axes afin de tracer les profils de vitesse unitaires. Il s’agit d’une manière intéressante d’exprimer la distribution de vitesse atour de la valeur de vitesse maximale pour pouvoir ensuite comparer les profils de vitesse obtenus avec différents équipements. Le profil de vitesse représente alors la « signature » de la lance (Ginouse, 2014).
La Figure 5.31 permet la comparaison des profils normalisés de vitesse des lances Prototype 1 et 2, et des profils obtenus lors des travaux de Ginouse (2014).
Vitesse axiale u (m/s) R ay on aut our d e l’ axe de pr oj ec ti on (m m )
114
Figure 5.31 : Comparaison des profils de vitesse normalisés des lances Prototype 1 et Prototype 2 ainsi que des lances Double-Bubble et Spirolet (Adapté de Ginouse (2014))
Le Tableau 5.5 présente les caractéristiques du profil de vitesse normalisé de la lance Prototype 2.
Tableau 5.5 : Caractéristiques du profil de vitesse normalisé lance Prototype 2
Paramètres du profil Coefficient de détermination
a1 a2 a3 b1 b2 b3 R²
0,1227 -0,3129 0,3152 0,8976 0,4186 4,739 0,89
Cette figure vient corroborer les observations réalisées précédemment. Malgré la légère cloche, la « signature » de la lance Prototype 2 est exceptionnellement uniforme. En effet, aucune vitesse n’est inférieure à 80% de la vitesse maximale.
Cependant, cette figure souligne bien les limites de cette méthode de comparaison des profils de vitesse. Bien que le profil le plus uniforme soit celui offert par le Prototype 2, cette lance n’a pas été à l’origine du rebond le plus faible. Alors, au vu des résultats de rebond et des profils de vitesses, la
η
115
valeur de la vitesse maximale ne peut être écartée parmi les différents paramètres d’influence afin de d’apporter un avis éclairé quant à l’efficacité des lances.
Malgré tout, les résultats présentés sur cette figure sont fort prometteurs. L’embout prototype semble jouer pleinement son rôle d’accélérateur périphérique, ce qui laisse présager des avancées importantes dans un futur proche en termes d’optimisation d’équipement.
Limites du jet
L’embout de lance prototype a pour conséquence de condenser encore plus le jet de béton projeté vis- à-vis de la lance Prototype 1. Ainsi, l’angle d’expansion, estimé à 8,6°, est extrêmement faible. Le Tableau 5.6 et la Figure 5.32 présentent une comparaison des angles d’expansion obtenus précédemment dans cette étude ainsi que lors de l’étude de Ginouse (2014).
Tableau 5.6 : Angle d’expansion en fonction de la lance employé (Adapté de Ginouse (2014))
Lance DRY-DBB DRY-SP Prototype 1 Prototype 2
Angle d’expansion total (°) 33,9 25,7 12,6 8,6
Figure 5.32 : Comparaison des limites du jet de béton projeté en fonction de la lance employée (Adapté de Ginouse (2014))
116
Pour les mêmes raisons que celles énoncées dans la section précédente, cette diminution de l’angle d’expansion avec le nouvel équipement a un impact bénéfique pour la performance en termes de rebond. En effet, cela permet de concentrer l’énergie incidente tout en augmentant les phénomènes d’encapsulation vraisemblablement.
5.8.2. À l’état durci
Résistance en compression, absorption et volume des pores perméables
L’amélioration des valeurs de résistance en compression comparativement aux valeurs obtenues lors de la phase précédente sont attribuées à l’amélioration du malaxage et de la mise en place grâce à l’embout prototype.
5.9.
Conclusion
Le premier concept relatif à la création d’une turbulence au sein de l’embout semble validé : les lances
Prototype 2 et 2 bis permettent d’obtenir des valeurs de résistance en compression bonifiées
comparativement aux résultats obtenus lors de la phase précédente du projet.
Le second concept concernant l’accélération des particules en périphérie est également validé : l’ajout d’air a permis de réduire le gradient de vitesse du profil de vitesse. Il s’agit du point le plus excitant et prometteur.
Il serait pertinent de procéder à une étude approfondie de l’embout prototype en agissant sur différents leviers tels le débit d’air à la machine et à la lance ou le rapport eau/liant afin d’obtenir un meilleur éventail des performances offertes. De plus, cela permettrait d’obtenir des informations supplémentaires quant à la compréhension des phénomènes influençant le malaxage et la mise en place du béton projeté. Puis, il pourrait être judicieux d’étudier le profil de vitesse du jet à plusieurs distances de la sortie de l’embout afin d’obtenir plus d’informations quant à l’évolution du jet.
Finalement, l’auteur tient à souligner qu’il s’agit ici d’une version préliminaire de l’embout, ouvrant la voie à une optimisation de l’équipement de béton projeté.
117
Chapitre 6 : Conclusion
6.1.
Introduction
Le but de ce projet de recherche était de concevoir une lance de béton projeté par voie sèche permettant de relever les défis actuels de l’industrie. Plus particulièrement, cette lance devait à la fois permettre de projeter les « nouveaux mélanges de béton » tout en optimisant la projection afin de
réduire les pertes par rebond. Dans cette optique, une lance courte composée d’un anneau de
mouillage et d’un embout ont été conçus numériquement et fabriqués afin que leurs performances soient étudiées en laboratoire. Ainsi, les deux objectifs précédemment énoncés ont pu être atteints, et les conclusions qui s’y rapportent sont énoncés dans la suite de cette section.
6.2.
Conclusions générales
Au vu des résultats obtenus lors de ce projet de recherche, il est possible d’énoncer les conclusions suivantes :
• Trois différentes mélanges de béton ont pu être projetés sans encombre à l’aide de l’anneau de mouillage prototype, à savoir un béton standard de réparation, un béton fibré ultra-haute performance ainsi qu’un béton minier à base de ciment CSA. Les projections se sont déroulées sans pré-humidification et sans poussière notable à l’aide de la technologie de lance courte développée dans ce projet de recherche.
• Le rebond a été largement réduit par l’anneau de mouillage prototype comparativement aux résultats obtenus avec une lance courte équipée d’un anneau de mouillage traditionnel. L’amélioration la plus impressionnante fut lors de la projection du béton fibré ultra-haute performance où le rebond a été divisé par deux. De plus, la lance courte équipée de l’anneau de mouillage prototype occasionne un rebond aussi faible que celui produit par une lance longue.
• L’anneau de mouillage prototype permet une amélioration de l’humidification et du malaxage du béton : l’intervalle de rapports eau/liant projetables a été étendu vis-à-vis de l’anneau de mouillage traditionnel utilisé en lance courte. Ainsi, sur une distance de malaxage
118
équivalente, la combinaison de l’eau au mélange de béton est plus performante avec l’anneau de mouillage prototype. La sensibilité à l’ajustement d’eau à la lance par le lancier est ainsi moins sensible, ce qui rend le procédé plus robuste. Cette amélioration s’est aussi traduite par une augmentation de la résistance en compression de 52% pour le Béton Fibré Ultra-haute
Performance projeté à l’aide du prototype comparativement au matériau projeté avec la lance
courte traditionnelle.
• La consigne de projeter à la « consistance stable la plus humide » dans le but de limiter le rebond, tout en améliorant la résistance en compression et l’enrobage des barres d’armatures est toujours appropriée pour la projection d’un béton standard à l’aide de l’anneau de mouillage prototype.
• L’anneau de mouillage et l’embout de lance prototypes ont successivement permis d’engendrer une homogénéisation du profil de vitesses des particules et une limitation de l’angle d’expansion du jet. L’anneau de mouillage résulte en une plus grande proportion de particules en partie centrale du fuseau se déplaçant à une vitesse adéquate, tandis que l’embout de lance remplit pleinement son rôle d’accélérateur périphérique.
• La valeur de la vitesse maximum des particules semble jouer un rôle prépondérant dans la limitation du rebond. Ainsi, la comparaison des profils de vitesses normalisés n’apparaît pas suffisante pour évaluer la performance d’une lance.
Finalement, l’équipement développé a mené à une amélioration de l’ensemble des performances par rapport à une lance courte traditionnelle. Bien qu’il ne s’agisse actuellement que d’une version préliminaire, le prototype de lance est fort prometteur, ce qui laisse présager des avancées importantes dans un futur proche en termes d’optimisation d’équipement et de maîtrise du procédé.