Optimisation rhéologique du béton
2.3.1 Mesures rhéologiques à la boîte en L
L’essai de la boîte en L (Figure 2.4a) permet de tester la mobilité d’un béton frais de volume 12 litres, dans un milieu confiné et à travers des armatures d’acier. Ce test permet d’évaluer le taux de blocage du béton lors du passage entre les armatures d’acier (ici 3 barres de diamètres 12 mm utilisées pour les BHP), et d’estimer la capacité de passage et l’aptitude du béton à traverser une zone fortement ferraillée.
Le principe est le suivant :
– la partie verticale est entièrement remplie de béton
– on laisse reposer pendant une minute puis on soulève la trappe (représentant les armatures en acier du béton armé) et on laisse le béton s’écouler à travers le fer-raillage
– lorsque le béton ne s’écoule plus dans la partie horizontale, on mesure le rapport des hauteurs H1et H2.
Cette méthode expérimentale donne la différence de hauteur du béton dans les parties verticales et horizontales de la boîte. A la fin de l’écoulement du béton, le rapport des hauteurs H2sur H1doit être supérieur à 0,8 pour les bétons autoplaçants (AFGC, 2000).
Toutefois, (Nguyen et al. 2006) montrent que l’écoulement dans la boîte est dominé par les effets d’inertie liés à la vitesse de soulèvement de la trappe. Des prédictions théo-riques de la forme du matériau à la fin de l’écoulement ont été corrélées avec succès à des résultats expérimentaux dans le cas de suspensions de fillers calcaires.
FIGURE2.4 : a- Essai de la boîte en L, b- Essai de stabilité au tamis.
2.4 Divers essais rhéologiques existants pour caractériser un béton
autoplaçant
Pour caractériser la fluidité, la déformabilité et la stabilité du béton frais, il n’existe pas d’essais normalisés pour s’assurer qu’un béton est effectivement autoplaçant. Pour pallier cette lacune, les chercheurs ont développé différents types d’essais de laboratoire applicables sur chantier (pour les mortiers et les bétons) qui permettent de déterminer chacun un paramètre rhéologique (seuil et viscosité apparente) ou une propriété du béton donnée (capacité de remplissage, capacité de passage, blocage, ségrégation, etc.). Plu-sieurs essais ont été développés pour déterminer les propriétés rhéologiques tant du point de vue de la fluidité que de la ségrégation (essai à la boîte en L, tube en U, cône en V, essai d’étalement, divers rhéomètres, essai d’enfoncement de billes, etc.). La littérature donne de nombreuses références (Yurugi et al., 1989). Les méthodes expérimentales existantes pour déterminer les propriétés d’ouvrabilité des BAP sont listées au Tableau 2.1.
L’essai d’étalement à T500consiste à mesurer le temps nécessaire à l’obtention d’une galette de 50 cm de diamètre (essai T500). Cette dernière valeur donne une indication sur la viscosité du matériau.
L’essai au tamis complète les essais permettant d’apprécier la mobilité, en milieu confiné (boîte en L, en U, etc.) ou non (étalement) en caractérisant la stabilité et la ré-sistance à la ségrégation. Un des premiers essais est celui de la passoire : crible en tôle perforée de trous ronds, utilisée aussi pour les analyses granulométriques. On utilise ac-tuellement des tamis à mailles carrées (Figure 2.4b). C’est un essai de qualification des
bétons autoplaçants face au risque de ségrégation. Il consiste à déposer deux litres de béton sur un tamis ayant des mailles de 5mm d’ouverture. Après 5minutes, on pèse la quantité de mortier ayant traversé le tamis. Cette quantité par rapport à la quantité de mortier initialement présente dans le contenant de 2 litres donne l’indice de ségrégation. On vise un indice de 30% au plus pour un béton autoplaçant (AFGC, 2000).
Nous ne nous attarderons pas à l’explication de cette diversité d’outils rhéologiques, mais nous présenterons les principaux dispositifs expérimentaux qui ont été utilisés pour l’étude. Une documentation assez complète sur les différents essais de caractérisation des bétons se trouve dans (ICAR, 2003).
Propriété Essais au laboratoire Essais sur chantier
Modifications de l’essai en fonction du Dmax Aptitude au remplissage Cône d’Abrams, Étalement à T500, V-funnel (orifice 30 mm), Orimet (orifice 80 mm) Cône d’Abrams, Étalement à T500, V-funnel (orifice 30 mm), Orimet (orifice 80 mm) Aucune, Max 20 mm Capacité de passage Boîte en L, boîte en U J-ring Différentes ouvertures entre les
armatures Résistance à la ségrégation V-funnel à T5minutes, essai au tamis V-funnel à T5minutes,
essai au tamis Aucune
TABLE 2.1 : Liste des essais rhéologiques effectués pour valider un béton autoplaçant.
FIGURE 2.5 : Divers dispositifs expérimentaux de caractérisation rhéologique des
bé-tons : V-funnel, Orimet, J-ring et boîte en U.
2.5 Conditions de validité des propriétés rhéologiques des BAP
Selon de Larrard et al. (2000), les caractéristiques exigées à l’état frais pour les bé-tons autoplaçants sont un étalement au cône d’Abrams supérieur à 600 mm, un seuil de
cisaillement inférieur à 500 Pa, et une viscosité plastique comprise entre 100 et 200 Pa.s. Selon Wallevik (2003), le seuil exigé pour ces bétons doit être inférieur à 200 Pa. D’un point de vue essai empirique, ceci correspond à un étalement de 600 mm. L’AFGC préco-nise aussi un étalement entre 650 et 800 mm (AFGC, 2000). Ces critères correspondent selon les auteurs à un béton suffisamment fluide et qui ne présente pas de ségrégation. Une observation visuelle permet aussi de constater si une ségrégation horizontale a lieu ou non. Éventuellement, une ségrégation apparaît sur le bord de la galette indiquant la présence de ressuage (film d’eau aux alentours de la galette). Ceci correspond à une lon-gueur d’écoulement atteinte supérieure à 60 cm dans la boîte LCPC (Roussel, 2007 a) du fait de l’analogie entre l’essai au cône d’Abrams et la boîte. Par ailleurs, Wallevik re-commande que pour obtenir les propriétés rhéologiques d’un béton autoplaçant, le béton doit présenter des paramètres rhéologiques combinés de seuil de cisaillement et de visco-sité plastique se trouvant dans un domaine bien déterminé (Wallevik, 2003). Les valeurs des grandeurs rhéologiques acceptables sont dans le domaine gris clair (Figure 2.6) et les valeurs recommandées sont dans le domaine de validité gris foncé (Figure 2.6).
Domaine acceptable pour le BAP
Domaine de validité d'un BAP
Plastic viscosity (Pa.s)
Yi e ld v alue (P a)
FIGURE 2.6 : Domaine de validité pour l’obtention d’un BAP proposé par Wallevik
(2003).
La Figure 2.6 montre que si la viscosité plastique est inférieure ou égale à 40 Pa.s, le béton autoplaçant doit avoir un seuil d’écoulement suffisant pour maintenir une résistance à la ségrégation. D’autre part, si le béton autoplaçant est trop visqueux (viscosité plastique supérieure à 70 Pa.s), le seuil de cisaillement doit être proche de zéro pour maintenir une capacité de remplissage suffisante pour l’autoplaçance. L’étalement minimum pour obtenir un BAP est aussi donné en fonction des viscosités. Les conditions de validité d’un BAP pour divers essais rhéologiques sont au Tableau 2.2. Il est à remarquer qu’un béton n’est pas autoplaçant en soi, mais vis-à-vis d’une structure et des conditions de confinement dans lequel il se trouve. Or, les essais présentés sont très sensibles au type de confinement (largeur de la maille des aciers, diamètre des tiges, géométrie, etc., par rapport au diamètre maximal des granulats) et ne sont donc pas forcément représentatifs des structures réelles. Ce qui amènerait à rejeter à tort certains bétons et conduirait à des formules plus onéreuses.
Méthode Unité Gamme de valeurs typiques Essai d’étalement au cône d’Abrams mm 650 820
Essai d’étalement à T500 sec 2 5
Étalement au J-ring mm 0 10
Temps d’écoulement au V-funnel sec 6 12 Temps d’écoulement au V-funnel à
T5minutes
sec 0 3
Boîte en L H2/H1 0,8 1
Boîte en U H2− H1(mm) 0 30
Orimet sec 0 5
TABLE 2.2 : Tests d’acceptabilité pour les capacités de remplissage des BAP.
en kg/m3 CEM I 52,5 Eau Optima 175 Sable 0/2R Sable 0/4C Grav. 4/6C Grav. 6/14C E/C G/S φG+S Béton de référence 420 140,9 5,88 312 468 362 711 0,33 1,37 69% Masse volu-mique 3150 1000 1055 2640 2680 2697 2697 - -
-TABLE 2.3 : Formulation de référence du BHP de Millau.
3 Formulation du béton de référence, le BHP de Millau
Les bétons gâchés lors de l’étude sont composés du ciment CEM I 52,5 PM ES, d’un superplastifiant, de trois granulats naturels calcaires concassés des carrières de Rascalat de classes 0/4, 4/6 et 6/14 et d’un sable silico-calcaire 0/2 roulé des carrières d’Usanges. Le superplastifiant Optima 175 est un mélange de polycarboxylates et de diphosphonatesR
modifiés (Chrysofluid). La formulation du BHP de Millau, qui sera notre référence dans ce travail, fait intervenir une teneur de 1,4% de superplastifiant par rapport à la masse du ciment. Le Tableau 2.3 donne la formulation du béton de référence. Les différentes variations de la formulation par rapport au béton de référence sont données dans la suite de l’étude.
4 Influence de la fraction volumique granulaire
4.1 Variation de la formulation
Dans une première partie du travail, l’évolution de la formulation des bétons se fera autour de la formulation de référence en diminuant la fraction volumique granulaireφG+S
des bétons de 69% (la référence) à 53%, et en gardant les autres paramètres constants : – le rapport Gravillons sur Sables (G/S) sera maintenu à 1,37 valeur issue de la
bé-tons du viaduc de Millau, sur le concept de la compacité maximale. Cette dernière permet de gagner en fluidité maximale du béton ;
– le rapport Eau sur Ciment (E/C=0,33) reste constant car il permet d’atteindre les
résistances du béton grâce à une qualité de résistances mécaniques de pâte identique à tous. L’eau totale de gâchage est ajustée en fonction du coefficient d’adsorption des granulats et de la quantité massique de chaque tranche granulaire.
– les bétons sont adjuvantés avec un dosage en superplastifiant de 1,4% d’Optima175, qui correspond au dosage utilisé dans le béton de référence. Ce dosage établi par les formulateurs du béton du viaduc de Millau correspond à la limite de saturation.