Procédure de malaxage

Caractéristique propre au malaxeur

Les premières fabrications concernaient de petits volumes (1/2 ou 1 litre) et furent réalisées

avec un malaxeur Perrier (norme ASTM). La dimension de la cuve, la forme de la pale et les vitesses de rotations ne sont pas adaptées à la fabrication de matrices UHP, qui plus est fibrées. Des gâchés d'une trentaine de litres ont ensuite été réalisées avec un malaxeur conventionnel : train de planétaire épicycloïdal, axe vertical et pales constituées par des plaques. Outre que le temps de malaxage de la matrice est long (plusieurs minutes), la géométrie des pales n'est pas adaptée au malaxage de BFM contenant des fibres de grand élancement (? = 80). En fait les pales sont autant d'obstacles sur lesquels viennent butter les fibres. La surface plane est normale à l'écoulement de la matière à l'intérieur du malaxeur (cf. Figure 1.9-A), ce qui conduit à une agglomération puis à un compactage des grandes fibres en avant des pales. On obtient une densification du réseau de fibres et la formation privilégiée d'oursins. La condition rhéologique n'est donc pas remplie.

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A cet égard le lecteur peut se reporter aux travaux sur les conteneurs à haute intégrité en BPR fibré [Boulay 1997] et à la définition et mesure de facteur d'orientation dans les sections de ruine [Behloul 1996].

A) B)

Figure 1.9 - Différentes géométries de pales de malaxeurs : plaques perpendiculaires au sens de rotation du mélange (malaxeur conventionnel Zyclos - A) et jeu de couteaux parallèles au tourbillon (mélangeur intensif Eirich - B).

Le LCPC s'est doté de deux mélangeurs intensifs de marque Eirich. Les fabrications sont désormais réalisées avec ces malaxeurs tourbillonnaires, dont la capacité est de 60 litres (cuve inclinée à vitesse variable avec axe rotatif excentré). Les industries des poudres (agroalimentaire, propulsion-défense et céramiques) utilisent ce type de malaxeur pour défloculer, désagréger puis mélanger des poudres sèches nécessitant de forts taux de cisaillement et dont l'homogénéisation est un critère prépondérant. Dans le cadre de notre étude, le malaxeur permet de pré-homogénéiser à sec et en une minute le mélange constitué des poudres et des micro-fibres. La fabrication de la matrice micro-fibrée ne nécessite normalement qu'une minute supplémentaire pour une consistance fluide, mais nous prolongeons le malaxage afin d'obtenir un état de défloculation maximal.

Ici, à la différence d'un BHP classique, on ne bénéficie pas de granulats de dimension centimétrique, capables par effet inertiel de casser les flocs. C'est donc l'énergie spécifique apportée par le malaxeur au mélange qui améliore non seulement la défloculation des ultrafines mais aussi la dispersion de l'eau et du superplastifiant [Orban 1986]. Il s'ensuit une amélioration des caractéristiques rhéologiques et mécaniques (défloculation qui conduit à des sites de nucléation plus importants et à meilleure répartition de l'eau et du superplastifiant, ce qui conduit finalement une hydratation plus importante).

L'apport du malaxeur sur l'homogénéisation du mélange final (i.e. avec les fibres longues) est plus limité. L'introduction des fibres longues est le point délicat. La puissance accrue du malaxeur permet l'incorporation de hauts dosages en fibres et la géométrie des couteaux (cf. Figure 1.9–B) limite la formation d'oursins après introduction des fibres longues. Mais l'expérience montre qu'il faut introduire les macro-fibres rapidement puis stopper au plus tôt le malaxage dès homogénéisation, en réduisant la vitesse de rotation du malaxeur14.

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Signalons qu'une recherche est actuellement menée par le LCPC de Nantes en collaboration avec l'Ecole Centrale de Nantes sur le malaxage des BFUP.

Figure 1.10 - Influence de l'orientation des couteaux sur la compacité du mélange Deux autres points méritent d'être soulignés, même s'ils ne reposent que sur des observations visuelles et n'ont pu être quantifiés. Ils concernent le sens de rotation de l'outil par rapport à celui de la cuve et la géométrie des couteaux.

− Lors d'une séquence de malaxage, le sens de rotation de la cuve fut inversé par erreur : l'outil et la cuve tournaient en sens opposés, ce qui a conduit à une mauvaise homogénéisation du mélange final. Si l'augmentation induite des turbulences est profitable pour la fabrication de la matrice de référence, elle ne l'est plus lors de l'introduction des macro-fibres. Ceci concorde avec notre pratique qui vise à réduire les vitesses de rotation de la cuve et de l'outil dès l'introduction des macro-fibres.

− L'influence de la géométrie des couteaux fut-elle aussi révélée par "hasard". A l'occasion d'un incident, une dépose de l'arbre de malaxage a dû être opérée. Son remplacement s'est fait avec un arbre similaire, à la différence que les couteaux étaient soudés sur l'outil en sens inverse (cf. Figure 1.10). Le résultat est un flux de matière dirigé vers le fond de la cuve qui produit un compactage du réseau de fibre, alors que dans l'autre cas, le mélange est dirigé vers la surface libre, donc plus aéré.

Séquence de malaxage retenue

L'introduction des constituants reste quelque peu artisanale, notamment pour les macro- fibres qui sont introduites à la main. La définition d'un process industriel devrait inclure un convoyeur vibrant pour faciliter leur introduction. La méso-fibre s'écoule à la manière d'un sable. Au final nous retenons une séquence de malaxage qui se décompose ainsi :

Tableau 1.7 - Séquence de malaxage du composite cimentaire fibré multi-échelles Matériaux Vitesse Outils Vitesse Cuve Temps Malaxage

tr.min-1 tr.min- 1 sec.

Ciment + Fumée + Sable + Micro-fibre 120 23 60 Eau + Superplastifiant 250 23 120 400 46 60 Méso-fibre 90 23 30 Macro-fibre 90 23 stop 15'' après dernière introduction 23 60 120 Ligne de courant Fond de cuve