CHAPITRE 3 : COMPORTEMENT A L’ETAT FRAIS
3.1. Matériels et méthodes
Nous avons établi un programme expérimental spécifique pour étudier le comportement à l’état frais de nos BFUP. L’objectif est de caractériser les propriétés statiques des bétons par les essais usuellement pratiqués en usine, de déterminer les propriétés d’écoulement par les mesures au rhéomètre, et d’étudier le caractère thixotrope des BFUP afin de proposer des préconisations pour la préfabrication des éléments de structure.
Pour chaque béton et chaque gâchée, des mesures d’étalement au mini cône, d’écoulement à la boite en L, et au rhéomètre ont été réalisées. Les échéances étudiées pour tous les essais listés sont les suivantes : à l’instant initial (t0) qui correspond à la sortie du malaxeur ; après
10 minutes de repos (t0+10) ; après 15 minutes de repos (t0+15) ; et après 20 minutes de repos
(t0+20), ce qui signifie que le béton est laissé au repos dans le bol de mesure pendant
respectivement 5 min, 10 min, 15 min, et 20 min. Le temps de repos est décompté à partir de la fin de malaxage jusqu’au moment de l’essai. Il est important de préciser que le temps entre le moment de l’introduction d’eau et la fin de malaxage est de 8 à 10 minutes, auquel il faut donc ajouter le temps de repos maximal étudié (20 minutes). Nous pouvons donc considérer que la plage de temps investiguée demeure inférieure ou égale à 30 minutes, ceci afin d’éviter toute influence des phénomènes irréversibles de l’hydratation sur la thixotropie (Legrand, 1972), (Roussel, 2006a).
L’ensemble des essais est donc effectué durant la période de 30 minutes à compter du moment où l’eau et le ciment sont en contact. Ce temps est également choisi par rapport à celui du cycle de fabrication à l’usine de préfabrication, qui est de 26 minutes environ. Pour respecter ces temps de repos, une nouvelle gâchée est par conséquent fabriquée pour chaque échéance de mesure. De plus, lorsque le béton est laissé au repos, le bol le contenant est recouvert d’un tissu humide afin de limiter l’évaporation de l’eau libre. Les mesures au rhéomètre sont effectuées dans une salle à 20°C.
Nous avons donc réalisé quatre gâchées de béton par formulation, ce qui fait au total 16 gâchées pour les quatre BFUP étudiés. Nous avons décidé de confectionner chaque fois 8 litres de béton dans un malaxeur de capacité de 10 litres avec la même procédure de malaxage que décrite ci-après.
3.1.1. Procédure de malaxage
Le protocole de malaxage correspond à celui défini dans le chapitre 2 :
Introduction successive de la moitié de la quantité de sable, de la totalité du ciment, du métakaolin ou de la fumée de silice, et de l’autre moitié de sable ;
Malaxage de l’ensemble des matériaux introduits pendant 2 minutes ;
Introduction de l’ensemble eau et superplastifiant puis malaxage jusqu’à fluidification (variable selon la formulation) ;
Introduction des fibres, puis malaxage pendant 2 minutes.
Le temps de malaxage a été relevé pour chaque BFUP et résumé dans le Tableau 3 – 1. Tableau 3 – 1 : Temps de malaxage des BFUP étudiés
880_2%_FS 880_2%_MK 880_1,5%_MK 680_2%_MK Temps de malaxage
(minutes) 10 12 12 12
Nous pouvons observer que le temps de malaxage du BFUP incorporant la fumée de silice est inférieur à ceux des BFUP contenant du métakaolin. Ceci peut être expliqué par la forme de type billes des grains de fumée de silice qui facilite leur dispersion.
3.1.2. Essai d’étalement au mini cône et d’écoulement à la mini-boite
en L
Durant cette étude, l’ouvrabilité et l’aptitude à l’écoulement des BFUP ont été étudiées par le biais des mesures d’étalement au mini-cône et des mesures du temps d’écoulement à la mini-boite en L (Figure 3 – 1).
a) Mini cône b) Mini boite en L
Figure 3 – 1 : Equipement pour les mesures d’étalement au mini cône et d’écoulement de la boite en L
Chacune des dimensions du mini-cône correspond à celle du cône d’Abrams à l’échelle ½ (NF EN 12350-2, 2012). La mesure d’étalement au mini-cône permet de mesurer la maniabilité des bétons selon la norme (NF EN 12350-2, 2012). La valeur de l’étalement correspond à la moyenne de deux mesures du diamètre de la galette de béton. Cet essai permet de surveiller aussi visuellement les éventuelles ségrégations du BFUP, notamment des fibres, et la formation de laitance excessive. Les essais d’écoulement à la mini-boite en L permettent de caractériser l’aptitude à l’écoulement du béton. La mini-boite en L utilisée a des dimensions de 30 cm de hauteur (H), de 36 cm de longueur (L), et de 7,5 cm de petite hauteur (h). La section de la partie verticale est de 5x10 cm, et la largeur de la partie horizontale est de 10 cm. La mesure du temps d’écoulement à la mini-boite en L a été réalisée au niveau des deux repères, comme le montre la Figure 3 – 1b. Le premier temps d’écoulement T_Lbox_1 est relevé lorsque le front de béton arrive au point de repère (1) se situant à 8,5 cm du bord. Le deuxième temps d’écoulement T_Lbox_2 est relevé lorsque le front de béton arrive au bord extrême de la boite en L à 28,5 cm. Il est rappelé que ces essais ont été effectués immédiatement après la fin du malaxage et après chaque temps de repos.
3.1.3. Mesures au rhéomètre
En parallèle des mesures d’étalement et d’écoulement à la mini-boite en L, des mesures de grandeurs rhéologiques ont été enregistrées à l’aide d’un rhéomètre à béton développé par CAD Instrumentation. L’objectif est de caractériser finement le comportement rhéologique à l’état frais en déterminant notamment les valeurs de seuil de cisaillement et de viscosité plastique. Le principe de fonctionnement de l’appareil est le même que celui du rhéomètre de Couette où le cylindre extérieur est assimilé à la paroi du bol qui reste fixe (R1) et le cylindre intérieur est assimilé à celui du matériau cisaillé par le mobile à ailettes (R2), en rotation lors de l’essai, comme le montre la Figure 3 – 2. Cet appareil fonctionne à vitesse de cisaillement contrôlé, et il mesure le couple nécessaire pour cisailler un échantillon de béton d’environ 2 litres. Le bol de mesure a des dimensions de 15 cm de diamètre et de 8 cm de hauteur. Le mobile est composé de 4 ailettes (Figure 3 – 2b) pour éviter le « patinage » pendant le cisaillement.
a) Rhéomètre CAD 200 b) Bol rempli de béton et mobile
Figure 3 – 2 : Dispositif de mesure des paramètres rhéologiques (Cyr et Mouret, 2003) Pour évaluer les paramètres rhéologiques, les mesures au rhéomètre ont été réalisées en trois phases, comme l’indique la Figure 3 – 3 :
Durant la première phase (1), à vitesse de cisaillement lente d’environ 1 tour/min, l’enregistrement du couple de cisaillement en fonction du temps nous permet
d’obtenir le couple maximal avant l’écoulement qui correspond au seuil statique de cisaillement du béton.
Durant la deuxième phase (2), la vitesse de cisaillement est augmentée très rapidement jusqu’à 30 tours/min et est maintenue pendant environ 150 s afin de déstructurer le matériau (Legrand, 1972), (Roussel, 2006a).
Enfin, durant la troisième phase (3), la vitesse de cisaillement est diminuée par palier (20 tours/min, 10 tours/min, 5 tours/min) afin de déterminer le couple moyen de cisaillement de chaque palier en fonction du gradient de vitesse.
Figure 3 – 3 : Représentation du couple ou de la vitesse de rotation en fonction du temps A partir de ces mesures, les courbes d’écoulement, à savoir la relation contrainte de cisaillement en fonction du gradient de vitesse, la viscosité, et le seuil statique sont calculés. Il est important de préciser que durant les essais aucune vibration n’est appliquée compte tenu du caractère autoplaçant des BFUP étudiés, ce qui permet de rendre compte du comportement rhéologique dans les conditions réelles de mise en œuvre de ces matériaux.
3.1.4. Exploitation des données brutes des mesures au rhéomètre
A partir des enregistrements du couple et de la vitesse de rotation appliquée en fonction du temps, nous pouvons construire les courbes d’écoulement des BFUP. Il s’agit de la relation entre la contrainte de cisaillement, notée τ, en fonction de la vitesse cisaillée, notée ̇. La détermination de la contrainte de cisaillement est basée sur l’hypothèse d’une distribution uniforme des contraintes sur la face latérale et d’une distribution linéaire aux extrémités. La contrainte de cisaillement τ est calculée par l’intermédiaire de la relation (3 – 4) (Cyr, 1999) :
=2² + 0 (3 – 4) Où :
τ est la contrainte de cisaillement exprimée en (Pa)
M est le couple résistant enregistré par le rhéomètre, exprimé en (N.m) H est la hauteur du mobile à ailette (sans la tige) en (m)
R est le rayon du mobile à ailette en (m)
Dans le cas d’un cisaillement qui induit un écoulement dans la totalité de l’entrefer, (Estellé et al., 2008) proposent de calculer le gradient de vitesse selon la relation (3 – 5) :
γ = 2 0. 0 1 − . − − 0. 0 ln ( .) (3 – 5) Où :
̇ est le gradient de vitesse de cisaillement en (1/s)
M est le couple résistant enregistré avec le rhéomètre, exprimé en (N.m) est la vitesse de rotation du mobile à ailette en (rad.s-1)
est le rayon du mobile à ailette en (m) . est le rayon du bol d’essai en (m)
La vitesse de rotation () peut être reliée au couple résistant (M) par la relation suivante : = + ∗ 0 avec A, B, et C qui sont les paramètres de calage par rapport aux points
expérimentaux (valeurs calées en utilisant la méthode des moindres carrées).