Développement d'essais pour évaluer la thixotropie et la robustesse des bétons autoplaçants

UNIVERSITE DE

SHERBROOKE

Faculte de genie Departement de genie civil

DEVELOPPEMENT D'ESSAIS POUR EVALUER LA

THIXOTROPIE ET LA ROBUSTESSE DES BETONS

AUTOPLA£ANTS

Memoire de maitrise es sciences appliquees Specialite: genie civil

Membres du jury:

M. Kamal KHAYAT, Directeur M. Mourad KARRAY, Rapporteur M. Carmel JOLICOEUR, Examinateur

Siwar NAJI

Sherbrooke (Quebec), Canada Juillet 2009

1*1

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1*1

RESUME

Bien que les connaissances sur les betons autoplacants (BAP) soient suffisantes pour permettre leur utilisation, certains parametres mal exploits, tels que la thixotropie et la robustesse, restent a ameliorer.

Le premier objectif de ce memoire est d'etablir un protocole experimental faisable sur chantier, pour mesurer la restructuration du b&on, due au ph&iomene de la thixotropie. Durant la premiere partie de ce travail, cinq dispositifs exp£rimentaux ont 6t6 testes sur deux mortiers de betons Equivalents, et en second lieu, sur deux betons autoplacants. Les analyses sont basees sur la repetabilite" et sur des correlations entre les resultats de ces dispositifs avec ceux du rheometre. Les meilleurs essais empiriques, qui ont montre des erreurs relatives faibles et de tres bonnes relations, tels que la palette portative, l'etalement au cylindre et le plan incline^ sont employes par la suite, pour etudier la robustesse des betons autoplacants.

Dans la deuxieme partie du memoire, Pobjectif consiste a etudier la robustesse de plusieurs betons, vis-a-vis de la variation de Phumidite du sable et du dosage en superplastifiant, tout en analysant leurs proprietes pertinentes. En effet, nous avons adopte une methode pour classer huit BAP, en matiere de robustesse, confectionnes avec plusieurs combinaisons d'agents collo'i'daux et de superplastifiants (PNS et PCP). Des analyses statistiques nous ont permis de selectionner les meilleures proprietes etudiees, qui montrent une tres bonne concordance de classement des batons etudies selon la robustesse. A partir de ces resultats, on a pu demontrer que l'essai de la palette portative est aussi adequat pour determiner la robustesse des BAP. En ce qui concerne l'effet des agents collo'i'daux sur la robustesse, une classification a ete faite, identifiant quatre categories differentes. Les agents collo'i'daux a base de polysaccharide, utilises dans les betons a base de polynaphtalene, qui permettent a ces derniers de developper une plus grande robustesse, appartiennent a la classe I. Un autre agent de viscosite de meme famille appartient a la classe II, mais il confere au beton une robustesse moins importante. L'amidon modifie, qui offre aux BAP une tolerance moyenne aux changements de la quantite d'eau dans les melanges se rapporte a la classe III. Enfin, le derive de cellulose, qui ne permet pas au BAP de developper une moindre robustesse, est categorise dans la classe IV. Une confirmation du meme ordre de robustesse avec deux BAP differents a ete prouvee durant la deuxieme phase de cette partie, en modifiant le dosage de superplastifiant de ±10 % par rapport au melange de reference. La robustesse de ces deux betons autopla$ants repond du meme degre, tant a la variation de l'humidite de sable qu'a la variation de dosage de superplastifiant.

Mots-Cles: Agents collo'i'daux, analyse de Kendall, analyse de Spearman, beton autoplacant,

REMERCIEMENTS

L'accomplissement de ce travail a ete realise avec la collaboration de plusieurs personnes que je tiens a les remercier particulierement.

Je tiens en premier lieu a remercier chaleureusement mon directeur de recherche Mr. Kamal HENRI KHAYAT, professeur au departement de genie civil, pour son encadrement precieux tout au long de ma maitrise, ainsi que pour ses qualites scientifiques et humaines.

Je remercie sincerement les membres du jury: Mr. Mourad KARRAY professeur au departement de genie civil et Mr. Carmel JOLICOEUR professeur a la faculte des sciences a l'universite de Sherbrooke, d'avoir accepte d'evaluer mon memoire de maitrise.

J'exprime aussi ma reconnaissance a Mr. Ammar YAHIA, professionnel de recherche au departement de genie civil, pour son savoir faire dans la transmission d'information ce qui m'a permis de comprendre rapidement les techniques de betons.

Mes plus sinceres remerciements vont aussi a Mr. Peter BILLBERG, Mr. Soo-Duck HWANG Stagiaires postdoctoraux, Mr. Trembak Veerab PAVATE professionnel de recherche et Mr. Ahmad OMRAN etudiant au doctorat, au departement de genie civil, pour leurs aides precieuses et leurs commentaires constructifs.

J'adresse mes remerciements aux techniciens du laboratoire de beton, Ghislaine LUC, Rajko VOJNOVIC, Denis BOLDUC et Claude FAUCHER, pour leurs aides durant le travail experimental.

Je desire adresser un cordial merci a tout le personnel du departement de genie civil, particulierement a Madame Christine COUTURE, secretaire du groupe de beton, pour sa precieuse collaboration.

Je tiens a remercier tous mes collegues, particulierement, Wu-Jian LONG, Ferdinand TCHIEME, Kheira BELAID, pour leurs aides et tout ce que j'ai appris a leurs contacts.

Je dedie ce memoire a ma famille, en particulier a ma mere et a mon mari qui m'a accompagne tout au long de ces annees d'etudes.

TABLE DES MATIERES

CHAPITRE 1 INTRODUCTION ET OBJECTIFS 1 1.1 INTRODUCTION , i 1.2 OBJECTIFS DE L'^TUDE 3 1.3 STRUCTURE DU M£MOIRE 3 CHAPITRE 2 RHEOLOGIE 5 2.1 INTRODUCTION 5 2 . 2 MODELES RHEOLOGIQUES 5

2 . 3 RHEOLOGIE DES BETONS AUTOPLACANTS 7 2 . 4 LES DIFFERENTS APPAREILS DE MESURE DE LA RHEOLOGIE 9

2.4.1 Rheometre MKI et MKII 10 2.4.2 Rheometre "Two-Point Test" 10

2.4.3 Rheometre MKtll 11 2.4.4 Rheometre MKIII modifie .12

2.4.5 Rheometre BT-RHEOM 13 2.4.6 Rheometre BML 14 2.4.7 Rheometre LCPC 14 2.4.8 Compdraison de plusieurs rhgometres 15

2.5 APPROCHES DE MESURE DES PARAMETRES RHEOLOGIQUES 17

2.5.1 Determination du seuil de cisaillement au repos 17 2.5.2 Determination du taux de cisaillement et de la viscosite plastique 19

2.5.3 Determination de la viscosite apparente 21 2.5.4 Determination du taux de reduction de la viscosite apparente 22

2.5.5 Les methodes de mesure de la thixotropie 23

• Courbe hysteresis 23 • Approche d'equilibre 24 • Courbe de destructuration "Breakdown area" 25

CHAPITRE 3 LA THIXOTROPIE 27

3 . 1 INTRODUCTION 27 3.2 THIXOTROPIE A L'ECHELLE MACROSCOPIQUE 2 8

3.3 THIXOTROPIE A L'ECHELLE MICROSCOPIQUE: INTERACTIONS INTER-PARTICULAIRES 3 0 3.4 THIXOTROPIE A L'ECHELLE NANOSCOPIQUE : INTERACTIONS ENTRE LES SURFACES DES PARTIOJLES 32

3.4.1 Les differentes forces dans une suspension 33

• Forces volumiques 33 • Forces de surface 34 • Forces de Van Der Waals 37 • Forces electrostatiques (double couche electrique) 38

• Theorie de DLVO 39

3.5 IMPORTANCE DE LA THIXOTROPIE DES BAP 42 3.5.1 Effet de la thixotropie sur le coulage multicouches 42

3.5.2 Effet de la thixotropie des BAP sur la pression exercee sur les coffrages 43

3.6 MODELE DE ROUSSEL SUR LA THIXOTROPIE DES BAP 44 3.7 PARAMETRES D'INFLUENCE SUR LA THIXOTROPIE DES BAP 45

3.7.1 Influence de la teneuren liantssurla thixotropie (breakdown area) 46

3.7.2 Influence du type de ciment sur la thixotropie 47 3.7.3 Influence du rapport eau-ciment (E/C) et du type de superplastifiant sur la thixotropie 48

3.8 CONCLUSION 49 CHAPITRE 4 EFFETS DES COMPOSANTS DES BAP SUR LA STABILITE ET LA RHEOLOGIE 5 1

"l

4.2 EFFETS DES COMPOSANTS DES BETONS AUTOPLACANTS SUR L'ETALEMENT ET LA RHEOLOGIE 52

4 . 3 EFFETS DES COMPOSANTS DES BETONS AUTOPLACANTS SUR LA SEGREGATION 5 5 4 . 4 EFFET DE L'HUMIDITE DES GRANULATS SUR L'OUVRABIUTE DES BETONS AUTOPLACANTS 5 9

4 . 5 EFFETS DU MALAXAGE SUR L'OUVRABIUTE DES BETONS AUTOPLACANTS 6 1

4.5.1 Effet du type de malaxeur. 61 4.5.2 Effets de la sequence et du temps de malaxage 62

4 . 6 ^VALUATION ET CONTROLE DE LA ROBUSTESSE VIS-A-VIS DE LA STABILITE STATIQUE 6 4

4.7 CONCLUSION 6 9 CHAPITRE 5 DEVELOPPEMENT DE NOUVEAUX DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR EVALUER LA

THIXOTROPIE DES BAP 70 5 . 1 PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS 7 0

5.2 APPROCHES ET METHODOLOGIE 7 1

5.2.1 Description et developpement des dispositifs experimentaux 72

• Etalementau cylindre 72 • Palette portative 73 • Plan incline 75 • Labille 76 • Penetration au cone 78 • K-slump 78 5.2.2 Rheometres automatises utilises 80

• Rheometre a mortier 80 • Rheometre a beton (MKIII modifie) 8 1

5.3 RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUXSUR DES M B E 8 1

5.3.1 Programme experimental 81 • Sequence de malaxage pour les mortiers 82

5.3.2 Caracteristiques des materiaux 82

• Sable 82 • Gros granulats 83 • Ciment 85 • Filler calcaire (Betocarb 8) 86

• Adjuvants chimiques 87 5.3.3 Analyse statistique et discussions •. 88

5.4 RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX SUR DES BAP 94

5.4.1 Programme experimental 94 • Sequence de malaxage pour les betons 95

5.4.2 Analyse statistique et discussion 96 5.4.3 Correlation des valeurs brutes 101

• Correlation entre les resultats des dispositifs experimentaux les plus fiables 101 • Correlation entre valeurs initiales du t0 rep0s du rheometre et celles des essais empiriques 103

5.4.4 Correlation vis-a-vis du taux de restructuration du BAP 106 • Correlation entre le taux de restructuration des differents essais empiriques 106

• Correlation entre le taux de restructuration des differents dispositifs experimentaux et celui du rheometre 108

5.4.5 Recommandations decoulant des dispositifs experimentaux 110

5.5 RESULTATS ULTERIEURS DE LA PALETTE PORTATIVE (PROVENANT DE LA PARTIE II) I l l

5.6 CONCLUSIONS 112

CHAPITRE 6 EVALUATION DE LA ROBUSTESSE DES DIFFERENTS BAP VIS-A-VIS DE LA V A R I A T I O N DE

L'HUMIDITE D U SABLE ET D U DOSAGE EN SUPERPLASTIFIANT 1 1 4

6 . 1 LA ROBUSTESSE DES BETONS 1 1 4

6.2 PROBLEMATIQUE 1 1 5 6.3 OBJECTIFS DE LA RECHERCHE ET METHODOLOGIE 116

6.3.2 Caracteristiques des materiaux 118

• Sable 118 • Gros granulats 118 • Ciment 120 • Adjuvants chimiques.... 120

6.3.3 Essais de caracterisation des BAP 122

• £talement , 122

• T-50 ! 122

• Teneur en air et masse volumique 123

• J-Ring 123 • Tassement 124 • Essais de rheologie et dispositifs experimentaux 125

• Essais sur betons a I'etat durci 125

6.3.4 Normes appliquees 126

• Les normes americaines ASTM 126

6.4 PHASE I : ETUDE DE LA ROBUSTESSE DES BETONS AUTOPLACANTS VIS-A-VIS DE L'HUMIDITE DU SABLE 126

6.4.1 Phase d'optimisation des betons avec PNS et PCP 126 6.4.2 Caracterisation des 24 BAP effectues a I'etat frais et durci 127

6.4.3 Etude de la robustesse des BAP 146

• Coefficient de concordance de Kendall 148 • Coefficient de correlation de rang de Spearman 152 • Selection des meilleures proprietes selon le tableau des valeurs critiques de Spearman 155

• Selection des 12 meilleures proprietes 156 • Selection finale des 11 meilleures proprietes 158 • Comparaison des differents classements effectues 161

6.4.4 Classification des agents colloidaux selon la robustesse 162 6.5 PHASE II: INFLUENCE DE LA VARIATION DU DOSAGE EN SP DE ±10 % SUR LA ROBUSTESSE DES DEUX BAP ROBUSTES ISSUS DE

LA PHASE I 164 6.5.1 Caracterisation des 6 BAP effectues a I'etat frais et durci 164

6.5.2 Couverture d'acceptation de PCP-PS1 et de PNS-PS3 168 6.5.3 Comparaison entre le coefficient de variation et la couverture d'acceptation 173

6.6 CONCLUSION 175 CONCLUSION GENERALE 178 PERSPECTIVES 181 REFERENCES BILBIOGRAPHIQUES 182 ANNEXES 190 A. CALIBRATION DU SCISSOMETRE 191

B. RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR LES MBE 193

B.l. RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS POUR LES MBE 193

B.2. CORRELATIONS ENTRE LES DIFFERENTS DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR LES MBE 196

C. RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR LES BAP 197

C.l. RESULTATS DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX EN FONCTION DE TEMPS DE REPOS POUR LES BAP 197

C.2. CORRELATIONS ENTRES LES DIFFERENTS DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR LES BAP 200

D. RESULTATS DE LA PARTIE II 202

D.l. RESULTATS DE LA PALETTE PORTATIVE ET DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DE LA PHASE I DE LA PARTIE II DES BAP AVEC

PNS ET PCP. 202 D.2. RESULTATS DE BINGHAM DE LA PHASE I DE LA PARTIE II DES BAP A PNS ET PCP 204

LISTE DES FIGURES

FIGURE 1.1 LES PRINCIPALES PHASES DU PROJET DE RECHERCHE . 4

FIGURE 2.1 Lois DES COMPORTEMENTS ELEMENTAIRES 7 FIGURE 2.2 INTERPRETATION PHYSIQUE DU MODELE DE BINGHAM [COLEMAN ET A L , 1966] 8

FIGURE 2.3 COMPARAISON ENTRE LE COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES BAP ETCELUI D'AUTRES BATONS 9 FIGURE 2.4 A)AGITATEURDUMKI, B) VUEDURHEOMETREMKI I [TATTERSALET BANFILL, 1983] 10 FIGURE 2.5 TWO-POINT TEST ET PARAMETRES ASSOCIES [TATTERSAL ET BANFILL, 1983] 1 1

FIGURE 2.6 RHEOMETREMKIII[BEAUPRE, 1994] 11 FIGURE 2.7 RHEOMETREM KM I MODIFY [YAHIA ET KHAYAT, 2006] 12

FIGURE 2.8 NOUVELLE PALETTE UTILISEE DANS LE MKIII MODIFY [YAHIA ET KHAYAT, 2006] 13

FIGURE 2.9 BT-RHEOM [Hu ET DE LARRARD, 1996] 14 FIGURE 2.10 RHEOMETRE BML A CYLINDRES COAXIAUX [WALLEVIK ET GJORV, 1990] 14

FIGURE 2.11 VALEURS DE CONTRAINTE SEUIL DES DIFFERENTS RHEOMETRES [BANFILL E T A L , 2000] 16

FIGURE 2.12 RHEOMETRE A CYLINDRES COAXIAUX CEMAGREF-IMG[HU, 1995] 16 FIGURE 2.13 EXEMPLE DE L'EVOLUTION DU COUPLE EN FONCTION DU TEMPS D'APPLICATION POUR UN TYPE DE BETON 18

FIGURE 2.14 EXEMPLE DE CALCUL DU PARAMETRE N [IRVIN ET HAROLD, 1952] 20

FIGURE 2.15 MODELE DE BINGHAM D'UN BETON AUTOPLACANT 2 1

FIGURE 2.16 VISCOSITE APPARENTE (HAPP) A 0,7 RPS 22 FIGURE 2.17 PRINCIPE DE DETERMINATION DU TAUX DE REDUCTION DE LA VISCOSITE APPARENTE [ASSAAD ET KHAYAT, 2003] 23

FIGURE 2.18 BOUCLE D'HYSTERESIS [ISH-SHALOM ET GREENBERG, 1962] 24 FIGURE 2.19 APPROCHE D'EQUIUBRE [SHAUGHNESSY ET CLARK, 1988] 25 FIGURE 2.20 VARIATION DES CONTRAINTES DE CISAILLEMENT EN FONCTION DU TEMPS A DIFFERENTES VITESSES DE ROTATION

[ASSAAD, 2004] 25

FIGURE 2.21 METHODEDE CALCUL DEL'INDICEDE THIXOTROPIE (AB) [ASSAAD, 2004] 26

FIGURE 3.1 TROIS ECHELLES CARACTERISTIQUES DANS UNE SUSPENSION 28 FIGURE 3.2 LE COMPORTEMENT D'UNE SUSPENSION THIXOTROPE 29 FIGURE 3.3 LA COAGULATION REVERSIBLE (THIXOTROPIE) ET LA COAGULATION PERMANENTE (HYDRATATION) DANS UN CIMENT

[WALLEVIK, 2005] 3 1

FIGURE 3.4 EVOLUTION DE L'INTERACTION DES PARTICULES DE CIMENT HYDRATE DANS LE TEMPS [WALLEVIK, 2005] 32

FIGURE 3.5 TACHES D'ALUMINATES DE CALCIUM SUR UN GRAIN DE C3S 33 FIGURE 3.6 STRUCTURE DISPERSE^, FAIBLEMENTFLOCULEE (REVERSIBLE) OU FORTEMENT FLOCULEE (IRREVERSIBLE) 35

FIGURE 3.7 POTENTIELS D'INTERACTION DE SURFACE EN FONCTION DE LA DISTANCE DE SEPARATION ENTRE PARTICULES 37 FIGURE 3.8 MODELE GOUY-CHAPMAN-STERN DE DOUBLE COUCHE ELECTRIQUE [GOUY, 1910], [CHAPMAN, 1913] ET [STERN,1924]

39

FIGURE 3.9 L'EVOLUTION DE L'ENERGIE D'INTERACTION ENTRE DEUX PARTICULES EN FONCTION DE LEUR DISTANCE DE SEPARATION

[VERWEY ET OVERBEEK, 1948] 4 1 FIGURE 3.10 COMPARAISON DU MODELE BINGHAMIEN AVEC CELUI PROPOSE PAR [ROUSSEL, 2006] 45

FIGURE 3.11 VARIATION DE LA THIXOTROPIE A„ EN FONCTION DE LATENEUR EN LIANTS POUR DES BAP ET DES MBE [ASSAAD ET

KHAYAT, 2004] ..47

FIGURE 3.12 VARIATION DE LA THIXOTROPIE AB DES DIFFERENTS BAP EN FONCTION DU TYPE DE CIMENT [ASSAAD ET KHAYAT, 2004].

48

FIGURE 3.13 VARIATION DE LA THIXOTROPIE AB EN FONCTION DU RAPPORT E/C ET DU TYPE DE SUPERPLASTIFIANT [ASSAAD, 2006].

49

FIGURE 4.1 COMPARAISON DE LA ROBUSTESSE DES DEUX MELANGES DE BETON [EFNARC, 2005] 5 1 FIGURE 4.2 EFFET DU RAPPORT SP/LSUR L'ETALEMENT D'UN BAP DE RAPPORT E/C 0,39 AVEC DIFFERENTS RAPPORTS G/L ET G G / G F

[BONENET SHAH, 2005] 53 FIGURE 4.3 EFFET DU RAPPORT GG/GF SUR L'ETALEMENT DE DIFFERENTS BAP [YE ET AL., 2005] 54

FIGURE 4.4 EFFET DE LATENEUR EN GRANULATS ET EN SUPERPLASTIFIANT SUR LA VISCOSITE DES BAP [YE E T A L , 2005] 54 FIGURE 4.5 L'EVOLUTION DE LA VISCOSITE DES BAP EN FONCTION DE LA MASSE VOLUMIQUE DE LA MATRICE, AVEC DES TAUX DE

FIGURE 4.6 EFFET DU RAPPORT GG/VS SUR LA SEGREGATION DES BAP A DIFFERENTES TENEURS D'AC ET DE SUPERPLASTIFIANT [YE ET

A L , 2005] 58

FIGURE 4.7 L'INFLUENCE DE L'HUMIDITE DES GRANULATS SUR LES VALEURS DE L'ETALEMENT ET DE T-50 [DESHPANDE, 2006] 60 FIGURE 4.8 EFFET DE L'HUMIDITE DES GRANULATS SUR LE TEMPS D'ECOULEMENT A L'ENTONNOIR [DESHPANDE, 2006] 6 1

FIGURE 4.9 SEQUENCE DE MALAXAGE ADOPTED PAR [DOMONE AND JIN, 1999] 63 FIGURE 4.10 EFFETS DE LA COMPOSITION DES BAP SUR LA ROBUSTESSE [JOLICOEUR ET A L , 2000] 67

FIGURE 4.11 EFFETS DE LATENEUR EN PATE SUR LA ROBUSTESSE DES BAP CONFECTIONNES AVEC DES GRANULATS CLASSES [JOLICOEUR

E T A L . , 2 0 0 0 ] 68 FIGURE 4.12 EFFETS DES CENDRES VOLANTES ET DES LAITIERS DE HAUTS-FOURNEAUX SUR LA ROBUSTESSE DES BAP [JOLICOEUR ET A L ,

2000] 68

FIGURE 5.1 A) PREMIER CYLINDRE UTILISE (GAUCHE), B) CYLINDRE UTILISE POUR LES MBE (MILIEU), C) CYLINDRE UTILISE POUR LES

BAP(DROITE) 73 FIGURE 5.2 LES DIFFERENTES PALETTES UTILISEES 74

FIGURE 5.3 A) CUVE ORIGINELLE CYLINDRIQUE AVEC SCISSOMETRE, B) CUVE RECTANGULAIRE AVEC SCISSOMETRE, C) CUVE

RECTANGULAIRE AVEC COUPLEMETRE 7 5 FIGURE 5.4 DISPOSITIF DU PLAN INCLINE 76 FIGURE 5.5 A) DISPOSITIF DE L'ESSAI DE LA BILLE ORIGINEL (GAUCHE), ET B) MODELE REVISE (DROITE) 77

FIGURE 5.6 ESSAIDE PENETRATION AUCANE 78

FIGURE 5.7 ESSAI DE K-SLUMP 79 FIGURE 5.8 RHEOMETRE A MORTIER 80 FIGURE 5.9 COURBE GRANULOMETRIQUE DES GRANULATS 5-10 M M 84

FIGURE 5.10 COURBE GRANULOMETRIQUE DES GRANULATS 5 - 1 4 M M , 85

FIGURE 5.11 COURBE GRANULOMETRIQUE DU CIMENT GU 86 FIGURE 5.12 COURBE GRANULOMETRIQUE DU FILLER CALCAIRE (BETOCARB 8) 87

FIGURE 5.13 ERREURS RELATIVES DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX A DIFFERENTS TEMPS DE REPOS POUR LE MELANGE MBE1 92 FIGURE 5.14 ERREURS RELATIVES DES DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX A DIFFERENTS TEMPS DE REPOS DU MELANGE MBE2 92 FIGURE 5.15 ERREURS RELATIVES DES ESSAIS A DIFFERENTS TEMPS DE REPOS POUR LE MELANGE THIXOTROPE BAP1 100 FIGURE 5.16 ERREURS RELATIVES DES ESSAIS A DIFFERENTS TEMPS DE REPOS POUR LE MELANGE NON-THIXOTROPE BAP2 100

FIGURE 5.17 RELATION ENTRE LES RESULTATS DE LA PALETTE PORTATIVE ET CEUX DU PLAN INCLINE 102 FIGURE 5.18 RELATION ENTRE LES RESULTATSDE L'ETALEMENT AU CYLINDRE ETCEUXDU PLAN INCLINE 102 FIGURE 5.19 RELATION ENTRE LES RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE ET CEUX DE LA PALETTE PORTATIVE 103 FIGURE 5.20 RELATION ENTRE LES VALEURS BRUTES DU PLAN INCLINE ETCELLES DU RHEOMETRE A15 MIN DE REPOS 104 FIGURE 5.21 RELATION ENTRE LES VALEURS BRUTES DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE ETCELLES DU RHEOMETRE A15 M I N DE REPOS .105

FIGURE 5.22 RELATION ENTRE LES VALEURS BRUTES DE LA PALETTE PORTATIVE ET CELLES DU RHEOMETRE A15 M I N DE REPOS 105 FIGURE 5.23 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DE LAPALETTE PORTATIVE ETCEUX DU PLAN INCLINE 107 FIGURE 5.24 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE ETCEUX DU PLAN INCLINE 107 FIGURE 5.25 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DE LAPALETTE PORTATIVE ETCEUX DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE .108

FIGURE 5.26 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DE LA PALETTE PORTATIVE ETCEUX DU RHEOMETRE 109 FIGURE 5.27 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE ETCEUX DU RHEOMETRE 109

FIGURE 5.28 RELATION ENTRE LESTAUX DE RESTRUCTURATION DU P U N INCLINE ET CEUX DU RHEOMETRE 110 FIGURE 5.29 RELATION ENTRE LES VALEURS BRUTES DE LA PALETTE PORTATIVE ET CEUX DU RHEOMETRE A15 MIN DE REPOS

(RESULTATS ULTERIEURS DE LA PARTIE II) 112 FIGURE 6.1 COURBE GRANULOMETRIQUE DES GRANULATS 5 - 1 4 M M 119

FIGURE 6.2 ESSAI D'ETALEMENT AU CONE D'ABRAMS 122

FIGURE 6.3 AEROMETRE 123 FIGURE 6.4 ESSAI DEJ-RING 124 FIGURE 6.5 DISPOSITIF DE L'ESSAI DETASSEMENT[KHAYATETAL., 1997] 124

FIGURE 6.6 TASSEMENT DES BAP AVEC PNS 135 FIGURE 6.7 SEUIL DE CISAILLEMENT AU REPOS MESURE PAR LA PALETTE PORTATIVE A15 MIN DES BAP AVEC PNS 136

FIGURE 6.8 SEUIL DE CISAILLEMENT AU REPOS MESURE PAR LE MKIII MODIFIE A15 MIN DES BAP AVEC PNS 136

FIGURE 6.9 VISCOSITE PLASTIQUE DES BAP AVEC PNS 137 FIGURE 6.10 DOSAGE EN SUPERPLASTIFIANT PCP EN FONCTION DE L'HUMIDITE DU SABLE 144

FIGURE 6.12 RESISTANCE A LA FLEXION DES BAP AVEC PCP EN FONCTION DE L'HUMIDITE DU SABLE , 145 FIGURE 6.13 SEUIL DE CISAILLEMENT AU REPOS MESURE PAR LE MKIII MODIFY A 15 MIN DES BAP AVEC PCP EN FONCTION DE

L'HUMIDITE DU SABLE 1 4 5 FIGURE 6.14 CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN DES PROPRIETES MECANIQUES, D'OUVRABIUTE ET RHEOLOGIQUES AVEC LE

RANG-12 P 158

FIGURE 6.15 COEFFICIENTS DE CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN DES PROPRIETY MECANIQUES, D'OUVRABIUTE ET

RHEOLOGIQUES AVEC LERANG-11P ' 160 FIGURE 6.16 COEFFICIENTS DE CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN DES 11 PROPRIETY SELECTIONNEES 161

FIGURE 6.17 RESISTANCE A LA COMPRESSION A 7 J DES BETONS PCP ET PCP-CEL EN FONCTION DE L'HUMIDITE DU SABLE 163 FIGURE 6.18 SEUIL DE CISAILLEMENT AU REPOS T0„EPOS MESURE PAR LE PLAN INCLINE A 25 MIN DE PCP-PS1 ET DE PNS-PS3 EN

FONCTION DU DOSAGE EN SP 167 FIGURE 6.19 SEUIL DE CISAILLEMENT AU REPOS T0REPOS MESURE PAR LE MKIII MODIFIE A 25 M I N DE PCP-PS1 ET DE PNS-PS3 EN

FONCTION DU DOSAGE EN SP , 1 6 7

FIGURE 6.20 TASSEMENT DE PCP-PS1 ET DE PNS-PS3 EN FONCTION DU DOSAGE EN SP 168 FIGURE 6.21 COUVERTURE DE LA ZONE D'ACCEPTATION DU TASSEMENT POUR LE PNS-PS3 172 FIGURE 6.22 COUVERTURE DE LA ZONE D'ACCEPTATION DU T0REPOS DU P U N INCLINE A 25 MIN POUR LE PCP-PNS1 172

FIGURE 6.23 COUVERTURE DE LA ZONE D'ACCEPTATION DE L'ETALEMENT A 10 MIN POUR LE PCP-PS1 EN FONCTION DU DOSAGE EN

SP .173

FIGURE A 1 SCHEMA DE LA PALETTE 191 FIGURE A 2 EQUATIONS UTILISEES POUR LA CONVERSION DE LA LECTURE AFFICHEE SUR LA BAGUE DU SCISSOMETRE EN CONTRAINTE DE

CISAILLEMENT 192 FIGURE B 1 RESULTATS DE PENETRATION AU CONE DU MBE1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 193

FIGURE B 2 RESULTATS DE PENETRATION AU CONE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 193

FIGURE B 3 RESULTATS DE LA BILLE DU MBE1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 193 FIGURE B 4 RESULTATS DE LA BILLE DU MBE1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 193 FIGURE B 5 RESULTATS DU PLAN INCLINE DU MBE1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 194 FIGURE B 6 RESULTATS DU P U N INCLINE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 194 FIGURE B 7 RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DU MBE1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 194

FIGURE B 8 RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 194 FIGURE B 9 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 195 FIGURE B10 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 195 FIGURE B 1 1 CORREUTION ENTRE PALETTE PORTATIVE ET ETALEMENT AU CYLINDRE POUR LES MBE 196

FIGURE B12 CORREUTION ENTRE PALETTE PORTATIVE ET P U N INCLINE POUR LES MBE 196 FIGURE B 13 CORREUTION ENTRE ETALEMENT AU CYLINDRE ET P U N INCLINE POUR LES MBE 196 FIGURE C 1 RESULTATS DE PENETRATION AU CONE DU BAP1 TAMISE EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 197 FIGURE C 2 RESULTATS DE PENETRATION AU CONE DU BAP2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 197 FIGURE C 3 RESULTATS DE PENETRATION K-SLUMP DU BAP1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 197 FIGURE C 4 RESULTATS DE PENETRATION K-SLUMP DU BAP2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 197 FIGURE C 5 RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DU MBE2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 198

FIGURE C 6 RESULTATS DU P U N INCLINE DU BAP1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 198 FIGURE C 7 RESULTATS DU P U N INCLINE DU BAP2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 198 FIGURE C 8 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DU BAP1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 199 FIGURE C 9 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DU BAP2 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS 199

FIGURE C10 CORREUTION ENTRE LE P U N INCLINE ET LE K-SLUMP POUR LES BAP 200 FIGURE C 1 1 CORREUTION ENTRE U PALETTE PORTATIVE ET LE K-SLUMP POUR LES BAP 200 FIGURE C12 CORREUTION ENTRE K-SLUMP ET PENETRATION AU CONE POUR LE BAP1 200 FIGURE C13 CORREUTION ENTRE ETALEMENT AU CYLINDRE ET K-SLUMP POUR LES BAP 200 FIGURE C14 CORREUTION ENTRE PALETTE PORTATIVE ET PENETRATION AU CONE POUR BAP1 TAMISE 201

FIGURE C15 CORREUTION ENTRE P U N INCLINE ET PENETRATION AU CONE POUR BAP1 TAMISE 201 FIGURE D 1 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DES BAP AVEC PNS EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS ET POUR TROIS CONDITIONS

D'HUMIDITE DU SABLE 202 FIGURE D 2 RESULTATS DE U PALETTE PORTATIVE DES BAP AVEC PCP EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS ET POUR TROIS CONDITIONS

FIGURE D 3 RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DES BAP AVEC PNS EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS ET POUR TROIS

CONDITIONS D'HUMIDITE DU SABLE 2 0 3

FIGURE D 4 RESULTATS DE L'ETALEMENT AU CYLINDRE DES BAP AVEC PCP EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS ET POUR TROIS

CONDITIONS D'HUMIDITE DU SABLE , 2 0 3

FIGURE D 5 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PNS 204 FIGURE D 6 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PNS-PS1 204 FIGURE D 7 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PNS-PS2 204 FIGURE D 8 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PNS-PS3 , 204

FIGURE D 9 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PCP.. 205 FIGURE D10 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PCP-PS1 '. 205

FIGURE D 1 1 PARAMETRES DE BINGHAM A 10 MIN DU PCP-AM 205 FIGURE D12 PARAMETRES DE BINGHAM A10 MIN DU PCP-CEL ,205 FIGURE D13 TASSEMENT DES BETONS PNS-PS3 A TROIS DOSAGES DE SUPERPLASTIFIANTS 206

FIGURED 14 TASSEMENT DES BETONS PCP-PS1A TROIS DOSAGES DE SUPERPLASTIFIANTS 206 FIGURE D15 RESULTATS DU PLAN INCLINE DE PNS-PS3 ET DE PCP-PS1 EN FONCTION DU TEMPS DE REPOS A TROIS DOSAGES DE

LISTE DES TABLEAUX

TABLEAU 2-1 PLAGES DE SEUIL DE CISAILLEMENT ASPECIFIER POUR DIVERSES APPLICATIONS [DE LARRARD, 1999]

15

TABLEAU 2-2 CONSTANTES DE CONVERSIONS DES UNITES RH^OLOGIQUES DU MKIII EN UNITES

FONDAMENTALESBTRHEOM 17 TABLEAU 3-1 CLASSIFICATION DES BAPSELON LEUR DEGRE DE RESTRUCTURATION [ROUSSEL, 2006] 45

TABLEAU 4-1 EVALUATION DE LA RESISATNCE A LA SEGREGATION PAR LA METHODE DE SONDE [SHEN ET A L ,

2005] '. 66 TABLEAU 4-2 COMPOSITION DES MELANGES POUR L'ETUDE DE LA ROBUSTESSE [JOLICOEUR ET AL., 2000] 67

TABLEAU 5-1 COMPOSITION DES 5 MBE 82 TABLEAU 5-2 CARACTERISTIQUES DES GROS GRANULATS ET DU SABLE 83

TABLEAU 5-3 DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE DU SABLE 83 TABLEAU 5-4 DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE DES GROS GRANULATS 84

TABLEAU 5-5 CARACTERISTIQUES CHIMIQUES ET MINERALOGIQUES DU CIMENT 85

TABLEAU 5-6 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DU CIMENT 86 TABLEAU 5-7 CARACTERISTIQUES DES ADJUVANTS CHIMIQUES 88 TABLEAU 5-8 CARACTERISTIQUES DES MBE A 10 MINUTES 88 TABLEAU 5-9 EVALUATION STATISTIQUE DE LA REPETABILITE POUR CHAQUE ESSAI EMPIRIQUE DU MBE1

(MELANGE THIXOTROPE) ..90 TABLEAU 5-10 EVALUATION STATISTIQUE DE LA REPEYABILITS POUR CHAQUE ESSAI EMPIRIQUE DU MBE2

(MELANGE NON THIXOTROPE) 91 TABLEAU 5-11 COMPOSITION DU BAP1 ET DU BAP2 95

TABLEAU 5-12 CARACTERISTIQUES DES BAP A 10 MINUTES 96 TABLEAU 5-13 EVALUATION STATISTIQUE DE LA REPETABILITE POUR CHAQUE ESSAI DU BAP1 (MELANGE

THIXOTROPE) : 98 TABLEAU 5-14 EVALUATION STATISTIQUE DE LA REPETABILITE POUR CHAQUE ESSAI DU BAP2 (MELANGE

NON-THIXOTROPE) ; 99 TABLEAU 6-1 PROGRAMME EXPERIMENTAL DE LA PARTIE II 117

TABLEAU 6-2 CARACTERISTIQUES DES GROS GRANULATS ET DU SABLE 119 TABLEAU 6-3 DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE DES GROS GRANULATS ....119 TABLEAU 6-4 CARACTERISTIQUES CHIMIQUES ET MINERALOGIQUES DU CIMENT 120

TABLEAU 6-5 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DU CIMENT 120 TABLEAU 6-6 CARACTERISTIQUES DESSUPERPLASTIFIANTS, DU RETARDATEUR DE PRISE ET DU RflDUCTEUR

D'EAU 121 TABLEAU 6-7 CARACTERISTIQUES DES AGENTS COLLOIDAUX 122

TABLEAU 6-8 COMPOSITION DE BASE DU BAP UTILISE 127 TABLEAU 6-9 LES 8 BAP ET LE DOSAGE DES DIFFERENTS AGENTS COLLOIDAUX 127

TABLEAU 6-10 COMPOSITION DES MELANGES AVEC PNS 129 TABLEAU 6-11 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DES BAP REALISES AVEC PNS SANS AC 130

TABLEAU 6-12 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PNS-PS1 131 TABLEAU 6-13 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PNS-PS2 132 TABLEAU 6-14 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PNS-PS3 133 TABLEAU 6-15 COMPOSITION DES MELANGES AVEC PCP 138 TABLEAU 6-16 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DES BAP REALISES AVEC PCP SANS AC 139

TABLEAU 6-17 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PCP-PS1 140 TABLEAU 6-18 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PCP-AM 141 TABLEAU 6-19 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PCP-CEL 142 TABLEAU 6-20 CDV ET RANG DES BAP SELON LES PROPRIETY MECANIQUES 146

TABLEAU 6-21 CDV ET RANG DES BAP SELON LES PROPRIETY D'OUVRABILITE 147 TABLEAU 6-22 CDV ET RANG DES BAP SELON LES PROPRIETY RHEOLOGIQUES 148

TABLEAU 6-23 CLASSEMENT DE 8 BAP ET DEGRE DE CONCORDANCE ENTRE 20 PROPRIETES ....151 TABLEAU 6-24 CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN ENTRE LES PROPRIETES MECANIQUES ET20 PROPRIETES

153

TABLEAU 6-25 CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN ENTRE LES PROPRIETES D'OUVRABILITE ET 20

PROPRIETES ; 154 TABLEAU 6-26 CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN ENTRE LES PROPRIETY RHEOLOGIQUES ET20

PROPRIETES 155 TABLEAU 6-27 SELECTION DES MEILLEURES PROPRIETES PAR LA COMPARAISON AVEC LA VALEUR CRITIQUE DE

SPEARMAN (3P.) 156 TABLEAU 6-28 SELECTION DES 12 MEILLEURES PROPRIETES 157

TABLEAU 6-29 SELECTION DES 11 MEILLEURES PROPRIETES 159 TABLEAU 6-30 DIFFERENTS CLASSMENTS ATTRIBUES AUX BAP EN FONCTION DU NOMBRE DE PROPRIETES

SELECTIONNEES 161 TABLEAU 6-31 COEFFICIENTS DE CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN ENTRE LES DIFFERENTS CLASSEMENTS

ATTRIBUES AUX BAP 162 TABLEAU 6-32 LES DIFFERENTES CLASSES D'AGENTS COLLOIDAUX ETUDIES SELON LA ROBUSTESSE DES BAP .164

TABLEAU 6-33 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PNS-PS3 (±10 % DE SP) 165 TABLEAU 6-34 RESULTATS DE LA CARACTERISATION DU PCP-PS1 (±10 % DE SP) 166 TABLEAU 6-35 LES PROPRIETES A LIMITES INFERIEURES ACCEPTABLES 170 TABLEAU 6-36 LES PROPRIETES A LIMITES SUPERIEURES ACCEPTABLES 171 TABLEAU 6-37 CLASSIFICATION DES 2 BAP SELON LE COEFFICIENT DE VARIATION DES DIFFERENTES PROPRIETES

ETUDIEES '. 174 TABLEAU 6-38 CLASSIFICATION DES 2 BAP SELON LA ZONE DE COUVERTURE ACCEPTABLE DES DIFFERENTES

PROPRIETES ETUDIEES 174 TABLEAU 6-39 LE *C72 EN FONCTION DU NOMBRE DE PROPRIETES SELECTIONNEES 175

TABLEAU 6-40 COEFFICIENT DE CORRELATION DE RANG DE SPEARMAN DES MEILLEURES PROPRIETES 176 TABLEAU A 1 DIMENSIONS DES PALETTES UTILISEES ET LEURS VOLUMES REVOLUIONNAIRES G ..191

TABLEAU A 2 CALIBRATION DUSCISSOMETRE 191 TABLEAU A 3 SEUIL DE CISAILLEMENT CALCULE A PARTIR DU SCISSOMETRE 192

TABLEAU E 1 VALEURS CRITIQUES DE KENDALL 208 TABLEAU E 2 VALEURS CRITIQUES DE SPEARMAN 209

Liste des abreviations

LEXIQUE

Agent colloidal AC American standard test method ASTM

Beton autoplacant BAP Beton ordinaire BO Degre de thixotropie Ab Mortier de beton equivalent MBE

Palette portative Pp Plan incline PI Polycarboxylate PCP Polynaphtalene sulfonate PNS

Rapport Eau/Ciment E/C Rapport Eau /Liant E/l Rapport Sable/Granulat S/G

Rheometre Rh Superplastifiant SP Surface saturee seche SSS Teneur minimum en eau TME

Liste des symboles

Coefficient de concordance de Kendall W Coefficient de correlation de rang de Spearman ps

Coefficient de correlation de rang de Spearman critique ps c r

Contrainte de cisaillement a l'equilibre, Pa xe Contrainte de cisaillement initiale, Pa ii Diametre maximal de gros granulat Dmax

Khi carre calculee Xci Khi carre critique Xcr Seuil de cisaillement au repos, Pa to _repos

Seuil de cisaillement dynamique, Pa To

Taux de cisaillement, s"1 y Taux de reduction de viscosite apparente, Pa.s Ar|app

Taux de restructuration des BAP, Pa/min Tre

Viscosite apparente, Pa.s r|app Viscosite plastique, Pa.s upl

CHAPITRE 1 INTRODUCTION ET OBJECTIFS

1.1 Introduction

Les betons autoplacants (BAP), developpes depuis une vingtaine d'annees, sont encore qualifies de « nouveaux betons », car leur utilisation reste modeste bien qu'ils possedent un fort potentiel de developpement. Contrairement aux betons traditionnels, les BAP sont extremement fiuides et ne necessitent pas de vibration pour etre mis en oeuvre,. Se compactant sous l'effet de leur propre poids, les BAP peuvent etre coules dans des zones tres ferraillees ou dans des zones d'architecture complexe et difficilement accessibles.

Bien que les connaissances sur les BAP soient suffisantes pour permettre leur utilisation, certains aspects restent a ameliorer. En effet, leur composition specifique necessite la mise en place d'un controle soutenu de leur formulation, ainsi qu'un controle de leurs proprietes a l'etat frais, pour permettre une mise en oeuvre adequate.

La maitrise de ces betons n'est pas encore acquise, comme en temoigne la diversite des etudes menees afin d'apprehender le comportement des BAP. Des avancees certaines ont ete accomplies ces dernieres annees et plusieurs etudes sont publiees sur le BAP. Cependant, il reste quelques parametres qui sont mal exploites, tels que la thixotropie et la robustesse des BAP. Ces deux aspects meritent une etude scientifique plus poussee.

Dans la pratique, un beton thixotrope se fige rapidement lorsqu'il est au repos ou s'ecoule lentement. Cette restructuration due a la thixotropie est completement diffeiente avec la reaction de prise « chimique » du ciment qui se produit quelques heures plus tard. Cependant, les consequences sur Pouvrabilite sont similaires, au point que cette thixotropie a tout d'abord ete appelee « prise anormale », une manifestation de la thixotropie des BAP qui peut paraitre anodine dans un premier temps, mais dont les consequences sur les resistances mecaniques de l'element coule sont a surveiller, notamment pour le coulage multicouche. Lors d'un coulage, le beton deja mis en place se fige et, lors d'un deuxieme passage, un beton plus fluide est coule au-dessus du premier qui a eu le temps de se figer (quelques minutes suffisent parfois), alors ces deux couches peuvent ne pas se fusionner. Dans le cas de BAP (toute vibration etant proscrite), il est impossible de rattraper cette anomalie qui cree une interface fragile au sein du

materiau. Mais, on peut aussi trouver des consequences positives au phenomene de thixotropie. Lors du remplissage d'un coffrage, le BAP deja mis en place se fige, cessant ainsi progressivement de reporter son poids et d'exercer une forte pression sur les parois laterales du coffrage. Grace a la thixotropie et a des vitesses de coulage controlees, des voiles de grande hauteur peuvent etre coules sans avoir recours a des coffrages surdimensionnes. II n'existe pas a l'heure actuelle de methode permettant de formuler un BAP plus ou moins thixotrope, pour eviter des incidents, ou bien pour profiter de cette thixotropie au service du procede de mise en oeuvre. Cet aspect pourrait a l'avenir fortement influencer la facon dont nous concevons la mise en oeuvre des betons.

La thixotropie correspond a l'un des comportements rheologiques plus ou moins bien definis depuis longtemps, mais qui, difficile a apprehender, etait reste relativement a l'ecart des courants de recherche les plus populaires au sein des laboratoires universitaires. Particulierement, la thixotropie de la pate de ciment est un domaine mal compris, mais assez important dans son application sur le chantier. Les mecanismes physiques gouvernes sont encore mal identifies. Une comprehension des mecanismes qui causent la complexity de ce comportement rheologique a l'echelle mesoscopique est essentielle. II est aussi important de controler la thixotropie dans les processus industriels dans lesquels les materiaux de construction sont impliques.

La robustesse est la capacite d'un beton a pouvoir supporter une modification legere de sa composition, sans modification majeure de ses proprietes. Le comportement d'un beton ordinaire depend de celui de sa pate et du frottement entre ses plus gros grains. Dans le cas des BAP, dans lesquels le frottement entre les plus gros grains a quasiment disparu, la fluidite de la pate de ciment conditionne totalement la fluidite et la stabilite du BAP. Or, pour la plage relativement basse de rapport massique entre eau et poudres dans les BAP, la pate de ciment et done le BAP sont particulierement sensibles a la moindre variation d'eau dans le melange. Certaines formulations de BAP sont ainsi sensibles a des variations de ± 5 litres d'eau par metre cube, inferieures a la precision des centrales standards. Les melanges obtenus peuvent alors osciller entre instability et consistance insuffisante pour etre considered comme des BAP. Une meilleure maitrise de cet aspect permettrait de mieux garantir les proprietes des betons livres sur chantier. En attendant, il est necessaire de respecter la frequence recommandee des essais de reception de facon a pouvoir detecter d'eventuelles variations.

1.2 Objectifs de Petude

La premiere partie de ce prqjet de recherche est destinee a combler le manque d'essais simples de chantier pour quantifier la restructuration et la thixotropie des betons autoplacants, en essayant de developper des methodes d'essais fiables. (Voir diagramme de la figure 1.1). La deuxieme partie, quant a elle, est consacree a 1'evaluation de la robustesse des BAP avec differentes combinaisons d'agents collo'idaux (AC) et de superplastifiants (SP), en etudiant l'effet de la variation de l'humidite du sable en premier lieu, et celui de la variation du dosage en superplastifiants vis-a-vis des proprietes mesurees par des essais empiriques, choisis parmi ceux developpes lors de la premiere partie, et d'autres proprietes pertinentes des melanges.

1.3 Structure du memoire

Le chapitre 1 de ce memoire est destine a l'introduction et aux objectifs de l'etude. La partie bibliographique sera divisee en trois chapitres separes, dont le deuxieme comprend la rheologie et les differentes approches pour calculer les parametres rheologiques des BAP. Le troisieme chapitre prend en detail la description de la thixotropie et les differentes forces de liaison de surface au sein d'un materiau. Ensuite, un recueil de quelques resultats obtenus sur la robustesse et la stabilite des BAP est elabore dans le quatrieme chapitre.

Les resultats de ce memoire seront presenters dans deux chapitres, le chapitre 5 sera consacre aux resultats de developpement de cinq dispositifs experimentaux faisables sur chantier pour quantifier la restructuration des BAP, qui est due a la thixotropie, et un sixieme et dernier chapitre qui traitera des resultats de revaluation de la robustesse des BAP vis-a-vis de plusieurs proprietes pertinentes.

Dans les conclusions generales, une synthese qualitative de tous les resultats obtenus sera presentee. En dernier lieu, viennent les perspectives de cette etude.

^ Partie I ^ Developpement d'un essai faisable sur chantier

pour quantifier la restructuration des BAP

Partie II Evaluation de la robustesse vis-a-vis des essais choisis de la partie

I et d'autres essais standardises pertinents Phase I Application sur 2 MEB (repetabilite 5 fois) Phase II Validation sur 2 BAP (repetabilite 5 fois) Phase I Variation De L'humidite De Sable +1% SSS - 1 % 8 BAP X 3 = 24BAP Phase II Variation De SP +10% H o% -10% 2BAP Selectionnes X 3= 6BAP

CHAPITRE 2 RHEOLOGIE

2.1 Introduction

La rheologie est une branche de la physique qui etudie l'ecoulement ou la deformation des corps sous l'effet de contraintes appliquees, etant donne le taux d'application de ces contraintes ou plus generalement de leur variation dans le temps [Persoz, 1969]. Par cette science, il est possible d'etablir des relations entre les contraintes, les deformations et le temps.

La science de la rheologie s'applique autant aux corps solides qu'aux corps liquides. Le modele de comportement rheologique le plus simple des corps solides est celui de Hooke (corps parfaitement elastique) ou la deformation est proportionnelle a la contrainte appliquee et la deformation engendree est reversible. II y a un modele equivalent pour les corps parfaitement fluides, soit le modele de Newton (corps parfaitement fluides). II existe des corps particuliers dont le comportement rheologique se situe entre l'etat parfaitement solide et l'etat parfaitement liquide.

Selon Banfill (1993), le beton frais montre une tendance a ces deux comportements ideaux. En effet, le comportement fluide est predominant dans le cas du beton frais, meme si on peut observer un certain comportement solide comme c'est le cas lors de la realisation d'un essai d'affaissement, ou le beton frais est capable de supporter son poids propre.

2.2 Modeles rheologiques

II est plus difficile de mesurer le comportement rheologique des corps qui ne sont pas relies directement aux deux modeles de comportement ideaux. Dans le cas du beton, etant donne que le comportement fluide est predominant, la sollicitation par cisaillement semble la plus appropriee [Bartos, 1992].

De nombreux modeles ou lois de comportement, reliant la contrainte de cisaillement r au gradient de vitesse y, ont ete developpes afin de decrire les comportements rheologiques les plus couramment rencontres.

Le cas le plus simple correspond a celui des fluides newtoniens : T = /u y ou // represente la viscosite du fluide, viennent ensuite les fluides dont les proprietes ne dependent pas du temps. La loi d'Ostwald de Waele ou loi de puissance r = ky" permet de decrire la rheofluidification ou le rheoepaississement. En effet, cette equation permet de definir une viscosite apparente ij = x/y = ky"~x qui decroit avec y lorsque n est inferieur a 1 (rheofluidification) et croit avec y dans le cas contraire (rheoepaississement). Le cas du fluide newtonien est retrouve pour n = 1. Dans cette classe, il y a aussi les fluides a seuils qui sont caracterises par une contrainte seuil. Si la contrainte appliquee reste inferieure a cette valeur critique, le materiau se comporte comme un solide. Dans le cas contraire, le materiau retrouve le comportement d'un fluide. Les deux modeles les plus usites sont ceux :

- de Bingham:

x = T0 + [J.y

(2-1) O u :

T Contrainte de cisaillement en Pa T0 Seuil de cisaillement dynamique (Pa) ft Viscosite plastique (Pa.s)

y Vitesse de cisaillement (s"1)

Ce modele permet de representer un comportement newtonien au-dela de la contrainte seuil.

- de Herschel-Bulkley:

T = r0 + ayb

(2-2) Ou:

Nous retrouvons la loi de puissance decrite precedemment au-dela de la contrainte seuil.

x (Pa)

7 (S"1)

Figure 2.1 Lois des comportements elementaires

Les fluides dont les proprietes evoluent avec le temps pour un niveau de sollicitation donne correspondent a des comportements plus complexes : la thixotropie et la rheopexie.

2.3 Rheologie des betons autoplacants

La fluidite des BAP resulte d'une optimisation du squelette granulaire et de Putilisation d'une adjuvantation specifique. L'approche rheologique est utilisee pour optimiser le choix des materiaux constitutifs des BAP, mais aussi pour comprendre la relation entre la thixotropie et la pression exercee sur les moules ou les coffrages, avec des approches de type mecanique des fluides permettant de modeliser l'ecoulement. Pour simplifier, le beton a l'etat frais peut etre considere comme un materiau a deux phases : d'une part la pate de ciment, et d'autre part, l'ensemble des granulats.

La viscosite plastique (u.) et le seuil de cisaillement (T0) caracterisent le comportement

rheologique de la pate de ciment. Elle fait partie de la categorie des fluides dits viscoplastiques, et plus particulierement, des fluides dits « de Bingham ». Toute operation de deformation de la pate (en particulier son ecoulement) necessite au prealable, de vaincre les effets de surface dus a la presence de charges electriques d'attraction ou de repulsion a la surface des grains fins, qui donnent a la pate une cohesion au repos. Pour cela, on doit appliquer au materiau une certaine force par unite de surface que Ton appelle seuil de cisaillement. La viscosite plastique se traduit par un effort supplementaire (a partir du seuil de

cisaillement) qui augmente de fa9on proportionnelle avec la vitesse (ou gradient) de deformation. La viscosite plastique conditionne la vitesse de deformation et done Pecoulement du materiau. Une pate s'ecoule plus rapidement lorsque sa viscosite est faible. D'un point de vue physique, les deux parametres de Bingham ont ete interpreted comme suit: le seuil de cisaillement est explique comme la somme macroscopique de frottements internes des grains solides, il depend directement du nombre et de la nature des contacts entre les grains et done de la compacite du squelette granulaire. Au-dela du seuil, la contrainte appliquee au melange entraine l'ecoulement qui se traduit par des mouvements relatifs entre les grains solides (le frottement) et la circulation de la phase liquide dans la porosite inter-grains. C'est cette derniere qui causerait la dissipation visqueuse dans le liquide en ecoulement et expliquerait le deuxieme terme \iy dans la loi de Bingham. Plus la circulation est difficile, plus le parametre n est important.

1

I

dissipation vistjuttuse dans le titfikle

cfasipatem par friction cntie gjrai«!i

} Mr

}

o

Figure 2.2 Interpretation physique du modele de Bingham [Coleman et al., 1966]

II est essentiel, pour formuler les BAP, de connaitre leurs caracteristiques rheologiques ainsi que les effets rheologiques que peut induire toute augmentation des quantites des differents constituants. La viscosite plastique et le seuil de cisaillement evoluent en fonction de la composition du beton et des constituants utilises.

La viscosite d'une pate depend de sa teneur en eau, de la finesse du ciment et de l'effet des adjuvants utilises. On observe que toute augmentation du dosage en eau induit une diminution de la viscosite et du seuil de cisaillement. L'ajout de superplastifiant reduit principalement le seuil de cisaillement. L'incorporation de fumees de silice permet de diminuer la viscosite

jusqu'a un certain dosage au-dela duquel la viscosite et le seuil de cisaillement augmentent. Quant a la quantite d'air presente au sein du beton frais, son augmentation provoque principalement une diminution de la viscosite dans un premier temps, puis une diminution du seuil de cisaillement dans un second temps.

Les « nouveaux betons » (betons hautes performances fluides BHP et betons autoplacants) ont vu ces dernieres annees leur seuil de cisaillement fortement diminuer par rapport a celui des betons conventionnels, facilitant ainsi leur mise en oeuvre (Figure 2.3). En meme temps, leur caractere thixotrope s'est fortement accentue: les evolutions de leur viscosite apparente au cours du temps et en fonction de l'histoire de Pecoulement ont desormais des consequences pratiques parfois spectaculaires et toujours surprenantes.

X, P a 1600 1200 800 400 0

y

s-

Figure 2.3 Comparaison entre le comportement rheologique des BAP et celui d'autres betons

2.4 Les differents appareils de mesure de la rheologie

Les grandeurs du seuil de cisaillement et de la viscosite plastique, permettant de definir le comportement d'un beton lors de sa mise en place, sont quantifiables a l'aide d'appareils appeles rheometres. Cependant, la presence de granulats de tailles variees dans le beton ne permet pas de definir un materiau type pour tous les rheometres qui servirait de reference a toutes les mesures. Par consequent, etant donne les caracteristiques inherentes a chaque rheometre, les comparaisons des resultats d'un appareil a l'autre ne sont pas forcement evidentes.

2.4.1 Rheometre MKI et MKII

C'est Tattersall et Banfill (1983) qui furent les premiers a proposer des appareils adaptes a la suspension granulaire en introduisant des rheometres de type malaxeur. Le premier, appele MKI, est un malaxeur a mortier Hobart muni d'un wattmetre comme indicateur de couple. II s'agit alors d'une tige en forme de crochet (Figure 2.4a) qui tourne avec un mouvement planetaire dans le beton. Le malaxeur permet trois vitesses de rotation.

Par la suite, l'appareil a ete modifie. Un cylindre muni de pales de forme helicoidale interrompue "interrupted helix" tourne a l'interieur d'un echantillon de beton de facon concentrique. II s'agit alors du MKII (Figure 2.4b). De plus, pour mesurer le couple, une jauge de pression installee sur la transmission hydraulique indique la force exercee par les pales.

<n

f-£

a) »)

Figure 2.4 a)Agitateur du MKI, b) Vue du rheometre MKII [Tattersal et Banfill, 1983]

2.4.2 Rheometre "Two-Point Test"

Plusieurs auteurs ont apporte des modifications a cet appareil, mieux connu sous le nom de "Two-point test apparatus" [Tattersal et Banfill, 1983]. Cet appareil est en fait un malaxeur instruments qui permet de determiner la relation entre le couple de malaxage et la vitesse de rotation de la pale. L'experience montre que Ton obtient des droites ne passant pas par rorigine et qu'il est done necessaire d'avoir deux parametres, « g » et « h », pour caracteriser l'ecoulement du beton frais (Figure 2.5).

Figure 2.5 Two-point test et parametres associes [Tattersal et Banfill, 1983]

2.4.3 Rheometre MKIII

Le MKIII a fait son apparition par la suite, avec un agitateur en H a mouvement planetaire. C'est cette derniere configuration que Beaupre (1994) a repris pour construire le "UBC Rheometer", rheometre entierement pilote par ordinateur. Cet appareil est maintenant commercialise sous le nom de : « Rheometre IBB ». Le principe de ce rheometre consiste en un agitateur en forme de H qui tourne avec un mouvement planetaire dans le beton. Un capteur de vitesse enregistre automatiquement les vitesses sur 1'ordinateur, de meme que les couples mesures a l'aide d'une cellule de charge placee sur l'arbre principal. Ce rheometre est capable de mesurer les parametres rheologiques de betons de maniabilite faible jusqu'a elevee.

La modelisation de ce mouvement planetaire est difficile et le developpement d'equations empiriques decrivant l'ecoulement est un travail fastidieux, voire impossible. Tattersall et Banfill (1983) proposent que si le taux de cisaillement moyen est considere au lieu du taux de cisaillement effectif, qui n'est pas constant dans tout Pechantillon, il est alors possible de calibrer en unites fondamentales les rheometres a agitateur a l'aide de liquides aux proprietes rheologiques connues. Idealement, pour utiliser cette methode, il faut utiliser des materiaux dont les proprietes rheologiques sont semblables a celles normalement mesurees avec le rheometre. Pour le cas du beton, de telles substances ayant un comportement « Binghamien » et comportant une structure granulaire sont difficiles a trouver.

2.4.4 Rheometre MKIII modifie

Une modification du rheometre MKIII consiste a substituer le mobile en forme de H, qui tourne suivant un mouvement planetaire, en un mobile a ailettes qui tourne axialement autour de l'arbre principal du rheometre (Figure 2.7). L'avantage de la nouvelle palette est que la turbulence est reduite en etablissant un environnement infini, puisque l'ecoulement se produit en cercles concentriques dans une zone loin des parois de la cuve, meme a des vitesses de rotation elevees.

Figure 2.7 Rheometre MKIII modifie [Yahia et Khayat, 2006]

Les dimensions du mobile a ailette sont de 90 mm de diametre et 130 mm de hauteur (Figure 2.8). Grace a cette geometrie, la surface laterale du materiau est cisaillee. Le couple mesure est converti en contrainte de cisaillement en Pascal, alors que la vitesse de rotation est

transforme en taux de cisaillement en s"1. La determination de la contrainte de cisaillement et

le taux de cisaillement permet 1'evaluation de la courbe d'ecoulement (r vsy). La courbe descendante est utilisee pour estimer le seuil de cisaillement et la viscosite plastique du beton.

H = 1 3 0 R = 4 5 h = 1 0 0 r = 25 (Dimensions in mm)

Figure 2.8 Nouvelle palette utilisee dans le MKIII modifie [Yahia et Khayat, 2006]

Le rheometre MKIII modifie, a ete utilise pour determiner les parametres rheologiques de tous les betons effectues tout au long de ce projet de recherche. II est important de noter que les valeurs donnees par ce rheometre sont en (N.m). L'equation mathematique utilisee pour calculer les parametres rheologiques en unite fondamentale est decrite dans la section 2.5.

2.4.5 Rheometre BT-RHEOM

Hu et De Larrard (1996) sont alles plus loin en developpant un rheometre a beton, le BT-RHEOM, et en analysant le beton frais a partir de sa rheologie. Le BT-RHEOM est un rheometre de type plan-plan. Sa conception ne permet d'utiliser qu'un volume restreint de beton (environ 7 litres), et il comprend plusieurs parties (illustration a la figure 2.9) :

- un bloc superieur compose d'un recipient pour contenir l'echantillon de beton et d'une piece tournante pour mettre ce dernier en cisaillement. Le bon fonctionnement de l'ensemble est assure par un systeme de pales de blocage et de joints de feutres,

- un bloc inferieur forme le corps de l'appareil, il contient les moteurs a courant continu, le systeme mecanique et les dispositifs metrologiques,

- une boite d'alimentation,

- un micro-ordinateur avec lequel on realise le pilotage des essais et l'acquisition des mesures.

Figure 2.9 BT-RHEOM [Hu et De Larrard, 1996]

2.4.6 Rheometre BML

Ce sont Wallevik et Gjorv (1990) qui ont developpe le rheometre BML (Figure 2.10). Cet appareil se rapproche beaucoup d'un viscosimetre a cylindres coaxiaux. Des pales installees sur les cylindres limitent le glissement a la surface des cylindres. Cet appareil est entierement pilote par ordinateur. Sa geometrie permet de developper facilement les equations pour determiner les parametres rheologiques en unites fondamentales.

Figure 2.10 Rheometre BML a cylindres coaxiaux [Wallevik et Gjorv, 1990]

2.4.7 Rheometre LCPC

Le rheometre LCPC a ete developpe au Laboratoire Central des Ponts et des Chaussees de Paris par une equipe multidisciplinaire dirigee par De Larrard. C'est Sedran (1999) qui a finalise la mise au point. Sa geometrie est du type plan-plan. L'appareil est entierement

automatise. II permet la mesure de la dilatance en cours d'essai et permet aussi 1'etude du comportement sous vibration. II est concu pour des betons fluides (affaissement superieur a 100 mm). II semble que le joint d'etancheite soit une partie assez sensible lors de la mesure du frottement. La presence de ce joint rend la mise en oeuvre difficile. L'effet de paroi est negligeable [Hu, 1995] et le developpement d'equations mathematiques est possible pour obtenir des resultats en unites fondamentales. Le grand avantage de cet appareil est d'etre transportable. II peut etre utilise sur chantier de meme qu'au laboratoire. Cet appareil a recemment ete modifie pour pouvoir realiser un essai tribologique.

Ces appareils permettent d'obtenir des rheogrammes qui decrivent la relation entre le couple applique a un echantillon representatif et la vitesse de rotation de la piece mobile. Contrairement aux malaxeurs instrumentes, c'est la connaissance a priori du champ de vitesses theorique dans les rheometres plan-plan ou du champ de contraintes dans les rheometres a cylindres coaxiaux, qui permet de remonter a la loi de comportement du beton, et done au seuil et a la viscosite.

Dans la pratique, les parametres rheologiques de Bingham sont encore rarement utilises, mais de nouvelles applications voient le jour. Se basant sur les experiences acquises dans le reseau des Laboratoires des Ponts et Chaussees, De Larrard (1999) presente des valeurs caracteristiques du seuil de cisaillement pour differents types de beton (Tableau 2-1).

TABLEAU 2-1 PLAGES DE SEUIL DE CISAILLEMENT A SPECIFIER POUR DIVERSES APPLICATIONS [De Larrard, 1999]

Application

Beton de resistance normale pour structure armee/precontrainte

Beton a haute performance fabrique sur chantier Beton autoplacant (BAP)

Seuil de cisaillement specifie (Pa)

800-1500 300-1200 200-500

2.4.8 Comparaison de plusieurs rheometres

Recemment, a Nantes en France [Banfill et al., 2000], une etude sous le parrainage du NIST menee en 2000, a repertorie et compare des rheometres disponibles sur le marche. Tous les principaux rheometres a beton commercialement disponibles ont ete reunis, et pendant une semaine, 12 melanges de beton ayant des proprietes rheologiques differentes ont ete produits

et testes en meme temps dans tous les rheometres. Les resultats de cette etude tendent a demontrer qu'il est possible de relier les resultats de tous les rheometres par un coefficient pour la viscosite plastique et un coefficient pour le seuil de cisaillement, et ce, pour chaque paire de rheometres.

o-l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

gachee

Figure 2.11 Valeurs de contrainte seuil des differents rheometres [Banfill et al., 2000]

Peu importe lequel de ces rheometres mesure les « vraies » proprietes rheologiques, il est toujours possible de comparer les resultats de l'un avec les autres et ainsi comparer les resultats de differentes etudes sur une meme base. La rheometrie est done une discipline delicate.

Seul le BTRHEOM donne des valeurs coherentes avec celles du rheometre CEMAGREF (ce rheometre etait initialement dedie a l'etude des laves torrentielles) (Figure 2.12).

Differentes raisons peuvent etre evoquees pour les autres appareils :

• zone morte trop importante et zone de cisaillement trop etroite vis-a-vis du diametre maximal du granulat conduisant a la segregation (BML),

• glissement du beton dans la cuve (MKIII, 2 points),

• etalonnage des malaxeurs instruments non pertinent pour l'ensemble de la gamme des betons (champ de vitesses variable).

Les mesures rheologiques etablies avec le rheometre MKIII peuvent etre converties en se basant sur la comparaison avec le rheometre du LCPC. Le tableau 2-2 montre les donnees de transformation en unites fondamentales.

TABLEAU 2-2 CONSTANTES DE CONVERSIONS DES UNITES RHEOLOGIQUES DU MKIII EN UNITES FONDAMENTALES BTRHEOM

a b Conversion BT-RHEOM T0 H 155,3 13,2 504,3 62,6

L'utilisation de ces appareils reste toujours limitee. En effet, le besoin d'un essai de chantier simple et transportable est necessaire de nos jours, surtout pour l'etude des betons autoplacants, qui se caracterisent par une restructuration reversible au repos. Dans ce memoire, on a essaye de developper un essai faisable sur chantier pour determiner le seuil de cisaillement des BAP qui est lie a la capacite du systeme a se structurer au repos. Cette phase d'etude est tres delicate puisque cela necessite une repetition des essais pour voir le degre de confiance de la repetabilite et la correlation avec les resultats obtenus avec le rheometre (MKIII modifie utilise dans cette etude).

2.5 Approches de mesure des parametres rheologiques

2.5.1 Determination du seuil de cisaillement au repos

Le seuil de cisaillement au repos, ou statique, est mesure sur un melange de beton laisse au repos, pour un certain temps. Pour determiner le seuil de cisaillement au repos, on applique

une vitesse de rotation constante de 0,03 tours par seconde (rps) a la palette immergee dans le beton frais, le couple resultant est mesure en fonction du temps. Avant d'effectuer cet essai, le beton est place dans la cuve du rheometre pendant 15 minutes au repos. Un profil typique d'un beton montrant revolution du couple en fonction du temps d'application, est illustre a la figure 2.13.

0.20

(N = 0,03 rps)

10

Temps (s)

Figure 2.13 Exemple de revolution du couple en fonction du temps d'application pour un type de beton

Le couple augmente jusqu'a ce que la contrainte de cisaillement appliquee depasse la resistance creee par les liens entre les particules du beton. Le profil montre une region quasi-elastique lineaire suivie d'un moment de rendement ou le couple exerce sur l'axe de palette atteint une valeur maximum indiquant que le beton commence a se destructurer et permettant ainsi l'ecoulement du materiau. Au-dela de cette valeur, le couple diminue vers un etat d'equilibre. La presence de cette valeur maximum du couple est un indice de la thixotropie, qui peut etre expliquee par la presence de la deformation structurale et de la destructuration des liaisons dans le systeme flocule. Le calcul du x0 du couple maximum mesure (Cmax) exige

la connaissance de la geometrie de surface et de la distribution de la contrainte de cisaillement sur la surface. Dzuy et Boger (1985) ont suppose que le materiau est cisaille le long d'une surface cylindrique localisee entouree par la palette. II est suppose que la contrainte de cisaillement soit uniformement repartie sur la surface cisaillee cylindrique. Par consequent, la bonne approximation du seuil de cisaillement au repos peut etre calculee comme suit:

T0 repos ~ '-•max / "• (2-3) (2-4) K = constante =2nRAH + nR3 = 0,00194033 mj O u : Cniax e s t le couple en (N.M)

R est le rayon de la palette (45mm), et H est sa hauteur (130mm). 2.5.2 Determination du taux de cisaillement et de la viscosite plastique

Le protocole adopte pour determiner les courbes d'ecoulement de (T VS y) pour differents betons consiste a augmenter graduellement la vitesse de rotation de 0,3 a 0,9 rps et a la diminuer par la suite de 0,9 rps a 0,3 rps, tout en mesurant le couple correspondant (courbe ascendante). L'augmentation du nombre de tours du mobile du rheometre produit le cisaillement et la destructuration du beton jusqu'a atteindre un etat d'equilibre. Une fois l'etat d'equilibre est atteint, le beton est cense etre suffisamment cisaille et les valeurs rheologiques mesurees par consequent sont supposees etre constantes et varier beaucoup moins que dans la courbe ascendante. En considerant seulement les points descendants, on peut simuler les vraies conditions du melange et du transport.

En tenant compte du couple mesure (C) et de la vitesse angulaire imposee au mobile (N), la contrainte de cisaillement T et le taux de cisaillement y sont calcules comme suit:

T = C/K Y = rc\ x M- + nLn(S) -\ h (2-5) Ln(S) \ K J 3 45 (2-6) O u : RT 17.5 s

= f

T T =

'

Et n =

dLn{N) dLn(r)

Le parametre n est la valeur de la pente de la droite qui correspond a la regression lineaire de la courbe Ln{N) en fonction de Ln(j). RT est le rayon de la cuve en cm et R le rayon de la palette utilisee par le rheometre MKIII modifie.

0 -0,5 ~ -1 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 Ln(x) 4 Ln(N) = l,94Ln (T)- 13,29 R2=1,00

Figure 2.14 Exemple de calcul du parametre n [Irvin et Harold, 1952]

Les parametres rheologiques, le seuil d'ecoulement et la viscosite plastique sont determines a partir de la courbe descendante en supposant avoir un modele de Bingham. Une regression lineaire a ensuite ete faite a partir des valeurs calculees de T et y, la pente de la droite ainsi obtenue donne la valeur de la viscosite plastique, et la valeur a l'origine est celle du seuil de cisaillement dynamique (Figure 2.15).

1000 OH 800 £ 600 u 1= o U 400 200 -^ t = = 271,19y+154,80 R2 = 0,98 ^ * < M*i

*"•

Figure 2.15 Modele de Bingham d'un beton autoplacant

2.5.3 Determination de la viscosite apparente

La viscosite apparente (napp) est le rapport entre la contrainte de cisaillement (T) et le taux de

cisaillement (y) correspondant. r}app est mesuree en Pa.s.

T

^app = "2

(2-7)

Pour un taux de cisaillement donne, la viscosite apparente peut etre calculee comme la tangente de la droite qui passe par l'origine, telle que representee sur la figure 2.16.

^ s ca PH w -4-» a ern e 7^2 eS tn o u "O u -*-* a '3 -*-» _G O O 1600 r 1400 1200 1000 800 600 400 200 -0 ^ x = 570,73 npl+ 117,29 R2 = 0,99 s * ^ / SW s <S^ / ^^ / ^^ / ^^ * V v / _S^W s^S^ s^S^ —^^r Ss 1 -XV I " • ' n L • ' \ Happ @ b,7 rps /• 1 i " , i

•

Figure 2.16 Viscosite apparente (Tiapp) a 0,7 rps

2.5.4 Determination du taux de reduction de la viscosite apparente

La valeur du taux de diminution de la viscosite apparente (Arjapp) a un taux de cisaillement

constant peut etre employee pour caracteriser la thixotropie du beton (Figure 2.17). A une vitesse de rotation donnee, le beton est cisaille, entrainant la destructuration des liens entre les particules colloi'dales jusqu'a ce que l'etat d'equilibre soit atteint. La difference entre la contrainte de cisaillement initiale correspondant a la structure initiale et la contrainte de cisaillement d'equilibre, peut etre definie comme le taux de diminution de la viscosite apparente, et qui est calculee comme suit:

— _ i _ _ — _ — A — • • — Vapp.i Vapp.e ~ ^Vapp

(2-8) Ou:

Tj Contrainte de cisaillement initiale en (Pa) Te Contrainte de cisaillement en equilibre en (Pa)

Taux de cisaillement (s"1)

Figure 2.17 Principe de determination du taux de reduction de la viscosite apparente [Assaad et Khayat, 2003]

Le taux de reduction de la viscosite apparente a ete utilise par Assaad et Khayat (2003), a differents taux de cisaillement pour caracteriser la thixotropie du beton.

2.5.5 Les methodes de mesure de la thixotropie

La thixotropie est un comportement qui depend du cisaillement et du temps. II est souhaitable de maintenir le cisaillement constant et d'observer revolution de la structure en fonction du temps. Pour caracteriser la thixotropie, plusieurs methodes ont ete utilisees, telles que :

• Courbe hysteresis

Une facon d'evaluer la thixotropie est la mesure de l'aire comprise entre les courbes d'ecoulement montantes et descendantes d'un rheogramme, mais c'est une mesure tres arbitraire. Cette surface depend en effet non seulement du volume de l'echantillon et de la gamme de gradient de vitesse couverte, mais elle depend aussi du temps mis a couvrir cette gamme. Par ailleurs, elle ne donne aucune information sur la reprise de la structure thixotrope [Ish-shalom et Greenberg, 1962]. La courbe d'ecoulement obtenue par incrementation progressive de la contrainte permet une bonne mesure du seuil d'ecoulement. La boucle

d'hysteresis obtenue entre les courbes d'ecoulement a vitesse de deformation imposee croissante et decroissante caracterise la destructuration thixotrope (Figure 2.18).

Courbe descendante

Taux de cisaillement (S"1)

Figure 2.18 Boucle d'hysteresis [Ish-shalom et Greenberg, 1962]

• Approche d'equilibre

Cette approche consiste a suivre la diminution de la contrainte de cisaillement avec le temps ecoule suite a l'application d'un taux de cisaillement donne. Sous l'effet d'un cisaillement donne, la contrainte initiale (tj) diminue avec le temps pour atteindre une valeur d'equilibre (xe). La difference entre Xj et te donne ainsi une indication sur le degre de thixotropie du

systeme (Figure 2.19). Cette methode est simple et elle permet la mesure d'une plage entiere de valeurs de contraintes de cisaillement en fonction du temps, pour un taux de cisaillement donne, ce que la boucle d'hysteresis ne permet pas [Shaughnessy et Clark, 1988].

Temps

Figure 2.19 Approche d'equilibre [Shaughnessy et Clark, 1988] • Courbe de destructuration "Breakdown area"

La thixotropie est determinee en utilisant l'approche d'equilibre modifie. En effet, le protocole d'essais consiste a fixer la vitesse de rotation a des valeurs de 0,3, 0,5, 0,7 et 0,9 tours par seconde. Pour chaque vitesse de rotation, la difference entre la contrainte initiale et la contrainte d'equilibre est enregistree. Entre chaque changement de vitesse de rotation, un temps de repos du beton de 5 minutes est alloue (Figure 2.20). Le temps mis pour realiser l'essai de thixotropie est fixe a 27 minutes.

1500 ^1200 (LI s = 3 9 0 'o u 60 D •I 30 o *-N=0,3 rps a N=0,5rps ^-N=0,7rps ^N=0,9 rps 0 12 16 20 Temps (s) 24 28 32 36

Figure 2.20 Variation des contraintes de cisaillement en fonction du temps a differentes vitesses de rotation [Assaad, 2004]