Malaxage des bétons

I.5.1. Etapes physiques du malaxage d’un mélange granulaire humide

Le béton est un mélange hétérogène. Son malaxage consiste à distribuer de manière homogène le liquide dans le milieu granulaire avec les poudres. Pour bien maîtriser le malaxage du béton, il faut comprendre le phénomène de l’agglomération et contrôler les différentes étapes de formation de ce mélange.

La formation du béton passe par plusieurs stades. Différentes interactions se produisent entre les particules et entre les particules et l’eau.

Durant le malaxage, une agglomération humide se fait par mélange d’un liquide (eau) avec des grains (granulats et fines) [68]. La présence d’eau induit des forces cohésives entre les particules qui vont permettre la création de ponts capillaires liquides entre les particules entrainant la formation d’agglomérats [69]. Ces derniers peuvent également être formés durant le malaxage sec des matériaux s’ils sont initialement saturés [70].

En termes physiques et selon Iveson et al. [71], l’agglomération est un phénomène produit dans un milieu granulaire en passant d’un état sec à un état capillaire. Les agglomérats sont formés selon 4 phases (Figure 14).

La première étape consiste au mouillage des particules. Elle se produit dans le régime pendulaire. Le liquide est dispersé de façon homogène dans le lit de poudre, ceci entraînant la formation des premiers nuclei.

La deuxième étape consiste en la consolidation et la coalescence des granules formés au cours de l’étape précédente. Elle se produit dans le régime funiculaire. La consolidation des granules est causée par les collisions entre nuclei. Ceci conduit à la réduction de leur volume interstitiel et à l’expulsion du liquide présent au sein du granule jusqu’à sa surface. Ce phénomène va s’accompagner d’une diminution des possibilités de déformation lors de la rencontre ultérieure de deux agglomérats. La croissance dépend ensuite de la capacité des grains à se déformer et/ou de la disponibilité du liquide à leur surface pour former des liens.

La troisième étape a lieu dans le régime capillaire. La quantité de liquide est suffisamment importante pour saturer la porosité de tous les agglomérats et se présenter à leurs surfaces. Ceci conduit à la formation d’un agglomérat unique totalement enfermé dans un liquide, la pâte dans le cas du béton (quatrième phase : dispersion Solide-Liquide).

Leuenberger [72] a été l'un des premiers à utiliser les mesures de couple d'un système de poudre progressivement mouillé pour caractériser les différents états déjà mentionnés du processus d'agglomération. Un comportement typique de ces variations de couple est représenté dans la Figure 15.

I.5.2. Mesure de la puissance consommée : un suivi de l’agglomération

humide durant le malaxage du béton

La mesure de la puissance consommée par le malaxeur, en fonction de la quantité de liquide ajoutée, est un moyen simple et peu coûteux pour caractériser le milieu granulaire humide au cours du malaxage. Elle permet de suivre l’évolution de l’agglomération car elle est reliée à la résistance, à la taille et à la densification des agglomérats. Elle peut aussi être utilisée pour comparer les comportements de différentes formulations [72].

Cette relation entre la consommation de la puissance du malaxeur et les caractéristiques d’un milieu granulaire humide au cours du malaxage a été étudiée par Cazacliu [70] et Moreno Juez et al. [58].

Figure 16. Consommation de puissance et sa fluctuation lors du malaxage d’un béton autoplaçant [73].

Cazacliu et al. [73] a utilisé le suivi de la puissance consommée, courbe de wattmètre, en se basant sur les états physiques des matériaux pulvérulents décrits par [74] afin de définir un modèle d’évolution du comportement de la microstructure du béton durant le malaxage, dès le chargement des matériaux secs jusqu’à l’obtention d’un mélange fluide « homogénéisé ». Moreno Juez et al. [58] ont étudié avantage les temps de fluidité et de cohésion durant le malaxage du béton en utilisant une méthode par analyse d’images combinée au suivi de la puissance. Ces auteurs ont défini les étapes successives de l’agglomération humide d’un

Pour illustrer l’évolution du mélange et expliquer les différentes étapes du malaxage ils utilisent la courbe de puissance d’une gâchée de béton autoplaçant avec sa fluctuation au cours du temps, Figure 16.

Chaque étape de fabrication du béton conduit à un état physique du mélange granulaire humide, en fonction de la quantité du liquide présente. Les étapes d’évolution du comportement du béton lors du malaxage sont [58] :

- Etape 1 : malaxage à sec (formation d’agglomérats). Les constituants secs sont chargés et mélangés à secs. Les agglomérats, qui sont des groupes d’éléments microstructuraux en poudres, se forment naturellement,

- Etape 2 : ajout du liquide, dès le début jusqu’à la fin (point a sur la Figure 16). Dans cette étape il y a dispersion du liquide et formation de granules. Les particules agglomérées qui se sont déjà formées à l’étape 1 ont créé une nouvelle porosité additionnelle. L’eau remplit cette porosité et les agglomérats se transforment en granules avec la formation d’un certain nombre de ponts liquides qui induit une augmentation de la consommation de la puissance,

- Etape 3 : Début du malaxage humide, première étape, (point b et c). Dans cette étape le liquide présent dans les granules sort à la surface et attire la poudre sèche, d’où l’augmentation en taille des granules. La dissipation de puissance est principalement frictionnelle sans subir une augmentation significative,

- Etape 4 : deuxième étape du malaxage humide (pic dans la Figure 16). Dans cette étape on atteint le temps de cohésion maximale [58]. L'hétérogénéité entre les granules humides et les granules encore secs génère des fluctuations de puissance élevées et une seconde porosité se crée entre les granules humides et les granules secs,

- Etape 5 : troisième étape du malaxage humide (point d). Le liquide continue à sortir des granules et remplit progressivement la seconde porosité. La cohésion diminue et des ponts liquides disparaissent d’où la dissolution complète des granules et une diminution de la consommation d’énergie,

- Etape 6 : quatrième étape du malaxage humide (point e). Dans cette étape la seconde porosité est complètement remplie de liquide, les granules sont dissous d’où la dispersion des agglomérats. On atteint le temps de fluidité dans cette étape. Le temps de fluidité est obtenu lorsqu’une pâte dure passe à un état de suspension granulaire dans tout le mélange que l’on peut alors considérer comme du béton frais,

- Etape 7 : dernière étape du malaxage. Dans cette étape des agglomérats sont toujours présents dans le fluide granulaire mais au fur et à mesure du malaxage ils sont détruits et la

fraction solide diminue. On obtient donc un mélange en suspension granulaire homogène ce qui induit une diminution de la consommation de la puissance avec une tendance vers la stabilisation.

I.5.3. Malaxage de bétons à base de GBR

Une alternative à la pré-saturation des GBR, consisterait à maîtriser les étapes du malaxage et de la caractérisation des GBR afin de contrôler l’eau efficace réelle dans les bétons recyclés. Dans la littérature, différents protocoles de malaxage des bétons recyclés sont testées et leurs avantages et leurs inconvénients sont analysés.

L’efficacité du malaxage du béton dépend : des séquences du malaxage, de l’énergie du malaxeur et du temps de malaxage. Les procédures de malaxage (étapes et temps) adaptées aux bétons ordinaires peuvent ne pas être appropriées aux bétons recyclés.

Montero et al. [35] ont étudié la possibilité de contrôler l’eau efficace en adaptant une méthodologie de malaxage par un suivi de la cinétique de l’absorption des GBR dans l’eau et dans le béton par des essais d’affaissement. Ces méthodes nécessitent des temps de malaxage importants, environ 30 minutes (Tableau 4), ce qui est très couteux à l’échelle industrielle.

Tableau 4. Temps nécessaires pour les étapes de malaxage pour contrôler l’eau efficace réelle dans le malaxage [34].