Influence des conditions de cure sur les propriétés mécaniques

Cette partie d’étude a pour l’objectif d’évaluer l’effet des conditions de conservation sur le développement des résistances mécaniques afin de proposer des recommandations à l’industriel vis-à-vis de la protection des éléments préfabriqués. L’étude a été réalisée sur la

même formule 880-2%-MK que celle qui a servi pour l’étude de l’influence du type de malaxeur. Pour cela, des éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16 cm ont été confectionnées, puis 3 conditions de cure, humide, endogène et dessiccation ont été appliquées après le démoulage des éprouvettes, soit à 24 heures. En condition humide, les éprouvettes ont été conservées dans la salle humide régulée à 20°C±2°C et 95±5% d’Humidité Relative (HR). En condition endogène, les éprouvettes ont été protégées de tout échange hydrique avec le milieu extérieur et maintenues à 20°C. En condition dessiccation, les éprouvettes ont été conservées à l’air libre à l’extérieur du LMDC, en période hivernale de janvier à février (appelé aussi séchage extérieur). Seules les conditions de conservation, température et hygrométrie, sont différentes, les éprouvettes de même géométrie ayant été confectionnées dans le même malaxeur.

La Figure 2 - 11 présente l’évolution des résistances en compression et en flexion, pour les cures humide, endogène et en dessiccation.

Résistances en compression Résistances en flexion

Figure 2 - 11 : Evolutions des résistances moyennes en compression et en flexion en fonction des différentes cures : humide, endogène, et en dessiccation (séchage extérieur)

Les résultats montrent une légère diminution de la résistance en compression des éprouvettes en cure endogène par rapport à celles en cure humide, -1,5% et -5,8% à 7 et 40 jours respectivement. En revanche, une plus forte réduction en condition de séchage à l’extérieur par rapport à la cure humide apparaît : -14,9% et -13,9% à 7 et 40 jours respectivement. La même tendance de diminution pour la résistance en flexion est détectée, - 7,3% et -5,8% à 7 et 40 jours respectivement en cure endogène, -20,5% et -26,8% à 7 et 40 jours pour les éprouvettes exposées à l’extérieur.

Ainsi, la résistance en compression à 7 jours est quasiment identique entre la cure endogène et la cure humide. A 40 jours, la résistance en compression en cure humide est

supérieure de 10 MPa. Si l’on s’intéresse maintenant à la cinétique de développement des résistances, on constate que les valeurs à 7 jours en cure endogène représentent 76% de la résistance en compression à 40 jours en cure humide, alors qu’en séchage, couplé vraisemblablement à des températures assez faibles qui ralentissent les réactions d’hydratation, elle n’a atteint que 66%. Il est donc préférable de protéger le béton de la dessiccation au minimum pendant 7 premiers jours afin de garantir les propriétés mécaniques, tout en le conservant à une température modérée pour éviter des retards de prise. Ces résultats sont cohérents avec l’étude de (Byfors, 1980), qui a montré que dans le cas des bétons ordinaires, l’absence de cure humide au jeune âge peut provoquer un ralentissement voire un arrêt précoce de l’hydratation induisant une baisse de résistance de 10% à 25% selon la durée d’exposition à une humidité relative de 50%. Lorsque l’humidité ambiante diminue, l’eau présente dans les pores capillaires s’évapore, conduisant à une diminution de la quantité d’eau disponible pour l’hydratation. Le taux d’hydratation est ainsi fortement diminué. Ceci serait donc d’autant plus préjudiciable que le dosage en eau d’un BFUP est extrêmement faible. C’est pourquoi les essais normalisés selon la norme (EN 12390, 2009) pour les bétons courants, et la prénorme matériaux BFUP (PR NF P18-470) préconisent de conserver les éprouvettes dans une piscine (ou une salle humide), ou de les protéger de la dessiccation afin d’éviter les effets néfastes sur l’évolution des propriétés mécaniques.

Par conséquent, en pratique industrielle en usine de préfabrication, il est préconisé de conserver les éprouvettes de contrôle à l’abri des chocs, des vibrations, et de la dessiccation pendant au moins 16 heures avant le démoulage à la température de 20°C ± 5°C (EN 12390, 2009). Après le démoulage, les éprouvettes sont conservées dans l’eau à 20°C ± 2°C pour éviter la dessiccation pendant le durcissement. En revanche, pour les éléments de structures préfabriqués, ce type de conservation n’est évidemment pas envisageable. Compte tenu des résultats des effets de l’étude sur les conditions de cure, il convient donc de les protéger de la dessiccation pendant au moins les 7 premiers jours, soit avec les bâches hermétiques, soit avec des produits de cure, afin d’éviter l’évaporation de l’eau durant les premiers jours d’hydratation et de garantir les propriétés mécaniques optimales. Deux types de produits de cure peuvent être appliqués, l’un après le coulage pour les surfaces talochées, et l’autre après le démoulage pour les surfaces coffrées. La température, elle, joue sur la cinétique des réactions d’hydratations. On pourrait donc prévoir la mise en place de dispositifs spécifiques maintenant des températures modérées des pièces en BFUP, en période hivernale par exemple, pour atteindre les résistances requises pour leur démoulage ou leur manutention.

CONCLUSIONS

Ce chapitre retranscrit l’étude de mise au point de formulations de BFUP à moindre coût de production par rapport aux BFUP existant sur le marché actuel. Les solutions envisagées résident dans l’utilisation du métakaolin à la place de la fumée de silice, d’un sable siliceux local se situant à 100 km environ du site de préfabrication, et dans l’absence de traitement thermique.

Une étude préliminaire a permis d’identifier 2 paramètres à prendre en compte qui permettent d’augmenter les performances mécaniques. Le premier est lié à la forte capacité d’absorption d’eau du métakaolin non prise en compte par la norme (NF 206-1, 2014) dans le calcul de l’eau efficace et qui affecte la maniabilité, la mise en œuvre et donc les résistances. Le second est lié à l’amélioration de la compacité par la recherche de l’optimum du couple ciment/métakaolin. Des essais originaux de mesure d’absorption d’eau de métakaolin développée par (Mechling et al., 2003) et d’optimisation du taux de substitution partielle de ciment par du métakaolin, par la méthode dite de « compacité humide » développée par (Kwan et al., 2012), ont été réalisés sur nos matériaux. A partir d’une formulation issue de la bibliographie et des résultats de ces essais, à savoir une compacité optimale pour un ratio métakaolin sur ciment MK/C égal à 30%, et un coefficient d’absorption d’eau du métakaolin de 8% pris en compte dans l’eau totale, nous avons mis au point 3 compositions de BFUP à base de métakaolin. La première 880-2%-MK contient 880 kg de ciment, a un rapport MK/C de 30%, et une fraction volumique de 2% de fibres métalliques. La deuxième 680-2%-MK découle de la première puisqu’elle a également un rapport MK/C de 30%, et une fraction volumique de 2% de fibres métalliques, mais ne contient que 680 kg de ciment. Elle permettra d’estimer l’influence de la quantité de liant sur les propriétés du BFUP. Le BFUP 880-1,5%- MK dérive également de 880-2%-MK mais n’incorpore que 1,5% de fibres. Cette formule vise à étudier l’influence du dosage en fibres, vers les faibles valeurs de dosages, sur les performances du BFUP. Les deux dernières formulations présentent aussi l’intérêt de réduire le coût du matériau et son impact environnemental. Une formulation 880-2%-FS à base de fumée de silice (FS), addition pouzzolanique utilisée dans la grande majorité des BFUP existants, a également été établie avec un rapport FS/C de 25% et servira de référence pour la suite de notre projet.

Les résultats préliminaires obtenus pour ces compositions ont montré que l’exigence à l’état frais a été satisfaite, avec la valeur minimale d’étalement au mini cône de 30 cm qui

traduit l’aptitude autoplaçante des matériaux. A l’état durci, les résistances en compression varient entre 151 MPa et 167 MPa, et les résistances en flexion varient de 34 MPa à 41 MPa. Ces résultats particulièrement encourageants montrent l’intérêt de l’étude de compacité humide et de la prise en compte de l’eau absorbée par le métakaolin, et la pertinence de substituer la fumée de silice par cette autre ultrafine.

La problématique de la faisabilité de confectionner un BFUP à l’usine équivalent à celui obtenu en laboratoire a été traitée. Une première étude s’est focalisée sur l’influence du type de malaxeur, deux du laboratoire et celui de l’usine, sur l’ouvrabilité et les résistances d’un BFUP. De manière globale, la production industrielle de BFUP avec un malaxeur conventionnel à train valseur permet d’atteindre les performances identiques à celles obtenues sur les deux malaxeurs du laboratoire, pour des taux similaires de remplissage de 40%. Une étude complémentaire s’est intéressée aux conditions de cure afin de proposer des préconisations pour la conservation des pièces en BFUP à l’usine. L’analyse des résistances obtenues en cure humide, cure endogène et en dessiccation montre qu’il est fortement recommandé de protéger les éléments préfabriqués de la dessiccation durant les 7 premiers après coulage a minima, afin de maintenir des performances mécaniques les plus proches possibles de celles obtenues en cure humide à 20°C.

La réussite de ce transfert de formulation du laboratoire vers l’usine permet désormais d’entamer l’étude en laboratoire des caractérisations à l’état frais et à l’état durci de l’ensemble des BFUP étudiés.

CHAPITRE 3 : COMPORTEMENT A