DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DE BOUIRA
FACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES APPLIQUEES
DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL
MEMOIRE PREPARER POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER/LICENEC EN GENIE CIVIL
OPTION
Ingénierie des Matériaux de Construction
THEME
Présenté par :
BELGHARBI Amina
ABIB Saadia
Soutenu le….. /..../....
Devant le jury :
Président :
Rapporteur :
Examinateurs :
2015/2016
Utilisation des plans expérience pour la
DIDICACE
A la lumière de mes jours, la source de mes efforts, la flamme de
mon Cœur, ma vie et mon bonheur : maman que j’adore.
A l’homme de ma vie, mon exemple éternel, mon soutien
morale source
De joie et de bonheur, celui qui s’est toujours sacrifié pour me
voir réussir, à toi mon père.
Aux personnes dont j’ai bien aimé la présence dans ce jour, à
mes frères, mes sœurs.
Je dédie ce travail dont le grand plaisir leurs revient en premier
lieu pour leurs conseils, aides, et encouragements.
Aux personnes qui m’ont toujours aidé et encouragé, qui étaient
toujours à mes côtés, et qui m’ont accompagnaient durant mon
chemin d’études, mes aimables amis, collègues d’étude, et
sœurs de cœur.
Remerciement
On remercie dieu le tout puissant de nous avoir donné la santé
et la volonté d’entamer et de terminer ce mémoire.
Tout d’abord, ce travail ne serait pas aussi riche et n’aurait pas
pu avoir le jour sans l’aide et l’encadrement de Mr : HAMI, on
le remercie pour la qualité de son encadrement exceptionnel,
pour sa patience, sa rigueur et sa
Disponibilité durant notre préparation de ce mémoire.
Aux membres de jury pour avoir sacrifié de leur temps,accepter
d’examiner ce mémoire et d’honorer par leur présence le jury
de soutenance.
Nos sincères remerciements aussi à tous les étudiants master 2
de génie civil. Comme nous
tenons à remercier les personnes qui ont
contribués de près
L’objectif principal fixé dans cette recherche se rapporte à l’élaboration de modèles mathématiques prédictifs de formulation des pâtes de ciment auto-plaçantes (PAP) et à la compréhension des mécanismes qui gouvernent son comportement rhéologique.
Ce travail constitue une base pour faciliter l’obtention le béton auto-plaçant (BAP), un tel béton pourrait être confectionné en passant de l’échelle de la pâte à celle du béton en injectant des granulats tout simplement. La formulation des pâtes auto-plaçantes a été effectuée à l'aide des plans d'expériences et du logiciel Mini Tab, ainsi qu’une étude expérimentale des caractéristiques rhéologiques des pâtes auto-plaçantes(à savoir l’étalement au mini-cône et l’écoulement au cône de Marsh) auto-plaçantes à été réalisée.
Les essais d'étalement au mini-cône et d'écoulement au cône de Marsh sont utilisés pour évaluer l'aptitude à l'écoulement des pâtes cimentaires.
Mots clés : Pâtes auto-plaçantes, l’étalement, l’écoulement, plans d’expériences, modélisation.
Abstract
The main goal in this research relates to the development of predictive mathematical modeling to formulate the self-compacting pasta and the understanding of the mechanisms governing its rheological behavior.
This work provides a basis to facilitate obtaining the self-compacting concrete (SCC), this concrete could be crafted by injecting aggregates at the paste.
The formulation of self-compacting pasta was made with the design of experiment and Mini Tab software and an experimental study of the rheological characteristics of self-compacting pasta was done, the spreading test in mini-cone and the flow time in the Marsh cone were made on self-compacting concrete.
The tests spreading mini-cone and flow Marsh cone is used to assess the follow ability of cement pasta.
فدهلا يسيئرلا يف اذه ثحبلا قلعتي ريوطتب ةجذمنلا ةيضايرلا ةيئبنتلا ةغايصل ةنيجعلا ةيتنمسلإا تاذ ةلويسلا ةيلاعلا مهفو تايللآا يتلا مكحت اهكولس يبايسنلاا . اذه لمعلا فدهي ىلإ ساسأ ريفوت ليهستل لوصحلا ىلع ةناسرخ ةيلاع ةلويسلا هذه، ةناسرخلا نكمي لوصحلا ع اهيل ةفاضإب لمرلا ىصحلاو ىلإ ةنيجعلا ةيتنمسلإا تاذ ةلويسلا ةيلاعلا . ةغايص ةنيجعلا ةيتنمسلإا تمت ةناعتسلااب ميمصتب براجتلا كلاذكو ةسارد ةيقيبطت صئاصخلل ةيبايسنلاا ةنيجعلل ةيتنمسلإا تاذ ةلويسلا ةيلاعلا . متي مادختسا براجت راشتنلاا قفدتو شرام مييقتل ةلويس علا ةنيج ةيتنمسلإا ثحبلا تاملك : ةنيجعلا ةيتنمسلإا ، ةجذمنلاو ،براجتلا ميمصتو ،قفدتو ،رشنو
Dédicace Remerciement Résumer
Liste des figures Liste des tableaux
Introduction générale ... 1
Chapitre I: Etude bibliographique I. Etude bibliographique ... 3
I.1. Introduction ... 3
I.2. les travaux de recherche réalisée sur les plans d’expériences ... 3
I.3. Les travaux de recherche réalisé sur pâtes et les bétons auto-plaçantes ... 9
Chapitre II: Les pates auto-plaçantes II.1. Introduction ... 27
II.2. Définition de la pâte auto-plaçant... 27
II.3.Composition de la pâte auto-plaçant ... 27
II.3.1. Le ciment ... 27
II.3.2. Les additions minérales ... 29
II.3.3. Les adjuvants ... 31
II.3.4. Eau ... 32
II.4. Les principales applications des pâtes cimentaires auto-plaçantes ... 33
II.5. Les caractéristiques rhéologiques de la pâte cimentaire ... 33
II.5.1.Méthode de caractérisation de la pate ... 33
II.6. Le béton auto-plaçant ... 34
II.6.1. Le squelette granulaire ... 35
II.6.2. Les méthodes de formulation de BAP ... 36
II.6.2.1. Méthode basée sur l’optimisation de la capacité des mélanges granulaires ... 36
II.6.2.2. Méthode basée sur l’optimisation des mortiers ... 37
II.6.2.3. Méthode basée de formulation chinoise ... 38
II.6.2.4. Méthode basée sur l’optimisation du volume de pâte ... 39
II.6.2.5. Méthode basée sur un plan d'expérience ... 39
II.6.3. Les particularités des BAP ... 40
II.6.3.1. Un volume de pâte élevé... 40
II.6.3.2. Une quantité de fines (∅ 11< 80 µm) importante... 40
II.6.3.5. Un faible volume de gravillon ... 40
II.6.4. Classification des bétons auto-plaçants ... 40
II.6.5. Caractérisation des bétons auto-plaçants ... 41
II.6.5.1. A l’état frais ... 41
II.6.5.2. A l’état durci ... 44
II.5.5. Les avantage des BAP ... 46
II.5.5.1. Les avantages techniques ... 46
II.5.5.2. Les avantages économiques ... 46
II.5.5.3. Les avantages écologiques ... 46
II.7. Conclusion... 47
Chapitre III: les plans d'expérie nces III.1 Introduction... 48
III.2 Historique des plans d’expériences ... 48
III.3. Généralités sur les plans d’expériences ... 49
III.3.1. Définition des plans d’expériences... 49
III.3.2. Définition d’un facteur ... 49
III.3.2.1.Facteur quantitatif ... 49
III.3.2.2. Facteur qualitatif ... 50
III.3.3. Définition des réponses ... 51
III.4.Principe des plans d’expériences... 52
III.5.Conditions d’application des plans d’expériences ... 52
III.6. Les étapes d'une étude par les plans d'expériences ... 53
III.6.1. Définition des objectifs et des réponses ... 53
III.6.2. Choix des facteurs et du domaine expérimental ... 53
III.6.3.Proposition d’un modèle... 53
III.6.4. Estimation des coefficients du modèle ... 54
III.6.5. Validation du modèle ... 54
III.6.6. Mise en œuvre et suivi... 54
III.7.Différents types des plans d’expériences... 54
III.7.1.Plans de mélanges... 54
III.7.2. Plans de criblage ... 54
III.7.2.1. Plans factoriels complets... 54
III.7.2.2. Plans fractionnaires ... 55
III.7.3.1. Les Plans composites centré ... 56
III.7.3.2. Les plans de Box-Behnken ... 57
III.8. Conclus ion ... 58
Chapitre IV : pertie expérime ntale IV.1. L’objectif ... 59
IV.2. Matériels et méthodes ... 59
IV.2.1 Matériaux utilisés ... 59
IV.2.1.1. Le ciment ... 59
IV.2.1.2. L’adjuvant (Super-plastifiant MEDAFLOW 145) ... 60
IV.2.1.3. Fumée de silice ... 61
IV.2.1.4. L’eau de gâchage ... 61
IV.2.2. Méthodes d'essais ... 61
IV.2.2.1. Étalement au mini-cône ... 61
IV.2.2.2. Écoulement au cône de Marsh (NF P 18-358)... 62
IV.3. Formulation des pâtes auto-plaçantes avec la méthode des plans d’expériences .... 63
IV.3.1. Utilisation du logiciel Minitab ... 63
IV.4. Résultats et discutions... 66
IV.4.1. Etalement au mini-cône et écoulement au cône de Marsh ... 66
IV.4.2. Modèles obtenus... 67
IV.4.2.1. Modèle pour l’essai d’étalement... 68
IV.4.2.2. Modèle pour l’essai d’écoulement ... 69
IV.4.3. La validation des modèles ... 71
IV.5. Conclus ion ... 73
Conclusion générale ... 74
Référence bibliographique………...………..76
Annexe A : Préparation du mortier ... 79
Annexe B : Essais physico- mécaniques ... 82
Annexe C : Les délais de prise et la consistance normale ... 83
Annexe D : La Finesse de ciment. ... 84
Annexe E : L’expansion ... 84
Annexe F : Calcul des dosages des constituants de la pâte auto-plaçante... 85
Annexe G : Procédure de malaxage de la pâte auto-plaçante ... 85
Annexe H : Fiche technique de ciment ... 87
Annexe I :Fiche technique de fumée de silice ... 89
Figure I. 1 : Tracé contenant de résistance à la compression, (a) : en fonction de SP et C, (b) :
en fonction de SP et E/C et (c) : en fonction de SP et FA du BAP. --- 5
Figure I. 2 : Tracé surface de réponse de la résistance à la compression,(a) : en fonction de SP et C,(b) :en fonction de E/C et (C) : en fonction de SP et FA du BAP. --- 5
Figure I. 3: Rhéométre à mortiers --- 9
Figure I. 4 : validation de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement pour les mortiers contenant la fumée de silice et adjuvantes en superplastifiant (SP1)--- 10
Figure I. 5 : validation de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement pour les mortiers contenant la fumée de silice et adjuvantes en superplastifiant (SP2). --- 10
Figure I. 6 : effet de la tenure des fibres d’acier sur la résistance à la compression. --- 13
Figure I. 7 : résultat d’essai de résistance à la flexion et traction de mélange de BAP.--- 13
Figure I. 8 : Résistance à la compression pour tous les mélanges. --- 15
Figure I. 9 : Résistance à la flexion pour tout le mélange. --- 15
Figure I. 10 : flux d’affaissement en fonction de la teneur du CBA. --- 16
Figure I. 11 : Résistance à la traction à 28 jours. --- 16
Figure I. 12 : La résistance à la compression à 28 jours par rapport des différents dosages de GCB.--- 17
Figure I. 13 : La résistance à la compression à 28 jours. --- 18
Figure I. 14 : la variation de la résistance à la compression du béton. --- 19
Figure I. 15 : la validation de la résistance à la traction du béton --- 22
Figure I. 16: Evalution des résistances à la compression des pates auto-plaçantes --- 23
Figure I. 17 :Evalution de la porosité des pates --- 22
Figure I. 18 : Influence du dosage des additions sur la résistance en compression à 28. ---- 22
Figure I. 19 : Effet des additions dur le seuil de cisaillement. --- 23
Figure I. 20 : la limite d’élasticité en fonction de la tenure en fumée de silice. --- 24
Figure I. 21 : La viscosité plastique en fonction de la fumée de silice. --- 24
Figure I.22 : Viscosité plastique, ainsi que le coefficient de perméabilité par rapport au contenu de la fumée de silice. --- 25
Figure II. 1 : Composition de ciment. --- 29
Figure II. 2 : Les additions minérales.--- 31
Figure II. 3 : Les adjuvants. --- 32
BO plastique et d’un BAP. --- 35
Figure II. 6 : Essai d’affaissement au cône d’Abrams. --- 41
Figure II. 7 : Essai d’écoulement à la boite en L. --- 42
Figure II. 8 : Essai de stabilité au tamis. --- 43
Figure II. 9 : Essai d’entonnoir V-funnel. --- 44
Figure II. 10 : Essai de compression.--- 44
Figure II. 11 : Essai traction par flexion. --- 45
Figure II. 12 : Mesure du module d’élasticité. --- 46
Figure III. 1 : Les différents types de facteur. ... 50
Figure III. 2 : le domaine et les niveaux d’un facteur. ... 50
Figure III. 3 : la disposition des points expérimentaux dans le domaine d’étude. ... 51
Figure III. 4 : la surface de réponse correspondant à tous les points du domaine d’étude... 52
Figure III. 5 : surface de réponse. ... 56
Figure III. 6 : plan composite centré. ... 57
Figure III. 7 : plan de Box-Behneken pour trois facteurs. ... 58
Figure IV. 1 : Essai d’étalement au mini-cône. ... 62
Figure IV. 2 : Cône de Marsh pour l’essai d’écoulement. ... 62
Figure IV. 3 : Menu permettant de créer un plan composite centré. ... 64
Figure IV. 4 : Menu permettant d’introduire le nombre de facteurs. ... 64
Figure IV. 5 : L’étalement en fonction du dosage en fumée de silice et en super-plastifiant (E/L=0,335 ; C=425) ... 69
Figure IV. 6 : L’écoulement en fonction du dosage en fumée de silice et en super-plastifiant (E/L=0,335 ; C=425) ... 71
Tableau I. 1 : Les facteurs et les réponses des 16 formulations étudiées. ... 3
Tableau I. 2 : Les proportions des constituants du BAP. ... 7
Tableau I. 3 : Matrice des expériences (proportions volumétriques). ... 7
Tableau I. 4 : Composition des bétons... 12
Tableau I. 5 : Les résultats d’éboulements sur le béton. ... 12
Tableau I. 6 : Les composition des BAP ... 14
Tableau I. 7 : Les compositions du béton. ... 18
Tableau I. 8 : composition de béton... 19
Tableau I. 9 : compositions des pates étudiées. ... 21
Tableau I. 10 : Les compositions des différents BAP. ... 23
Tableau I. 11 : Les résultats rhéologique... 25
Tableau II. 1: La classification des ciments selon la Norme NF EN 197-1. ... 28
Tableau II. 2 : Classe d’étalement au cône d’Abrams selon la norme (NF EN 206-1)... 42
Tableau IV. 1 : La composition chimique du ciment. ... 59
Tableau IV. 2 : Les caractéristiques physiques du ciment. ... 59
Tableau IV. 3 : Les caractéristiques mécaniques du ciment. ... 60
Tableau IV. 4 : Les caractéristiques physico-chimiques du super-plastifiant MEDAFLOW 145. ... 60
Tableau IV. 5 : Les caractéristiques physico-chimiques de fumée de silice. ... 61
Tableau IV. 6 : Procédure de malaxage des pates de ciment (Maher El Barrak, 2009 ... 61
Tableau IV. 7 : Facteurs et leurs niveaux. ... 63
Tableau IV. 8 : Les variables codés et réelles pour les 30 formulations de pates auto-plaçantes. ... 65
Tableau IV. 9 : Les résultats des essais rhéologiques des pates auto-plaçante... 66
Tableau IV. 10 : Estimation des coefficients de régression pour l’étalement. ... 68
Tableau IV. 11 : Estimation des coefficients de régression pour l’écoulement. ... 70
Tableau IV. 12 : Validation du modèle d’étalement à l’aide des centraux. ... 72
1 Introduction générale
De nos jours le béton est devenu le matériau le plus utilisé au monde dans le domaine du génie civil. Ce matériau composite et hétérogène résulte d’un mélange intime de ciment, de granulats, d’eau, et présente des propriétés mécaniques qui peuvent être très supérieures à celles des roches naturelles. Cependant, et vue son indispensabilité dans le domaine de la construction, le matériau béton a été et reste toujours sujet à de multiples travaux d'étude et de recherche. Même si l'avancée est jugée considérable, les études d'adaptation et de formulation s'avèrent nécessaires en chaque région du globe.
À la fin des années 1980, le béton auto-plaçant a été formulé pour la première fois par des chercheurs de l’Université de Tokyo, leur objectif était de supprimer les opérations couteuses liées à la vibration, et le ressuage afin d’accroître la productivité du chantier. Les bétons auto-plaçants, sont des bétons très fluides, homogènes et stables, mis en place sans apport de vibration même dans des structures complexes et fortement ferraillées. Les bétons auto- plaçants (BAP) se caractérisent par une grande fluidité. Cette propriété peut être obtenue par l’emploi de superplastifiant et l’augmentation du volume de pâte. Pour garantir un volume de pâte suffisant, l’emploi de diverses additions minérales qui sont le plus souvent des sous produits ou des déchets est recommandé.
Toute formulation d’un béton auto-plaçant, passe par la compréhension de l’influence de chacun de ses constituants sur ses propriétés rhéologiques du mélange. Aussi, le rôle d’un constituant dans le mélange va dépondre essentiellement de son état (fluide, solide) et de sa nature minéralogique, chim ique, et morphologique.
Différentes techniques de composition se sont développées ces dernières années pour la formulation des BAP. Parmi ces techniques, il y a la méthode des plans d’expériences qui est utilisée. L'utilisation de la méthode des plans d'expériences est intéressante dans le sens où elle fait réduire le nombre des mélanges tout en faisant varier plusieurs paramètres (facteurs) à la fois, ce qui va nous permettre d’évaluer leurs influences ainsi que leurs interactions sur les caractéristiques des bétons.
L’objectif principal fixé dans cette recherche se rapporte à l’élaboration de modèles mathématiques prédictifs de formulation de pâte de ciment auto-plaçante (PAP) et à la compréhension des mécanismes qui gouvernent son comportement rhéologique.
La formulation des pâtes auto-plaçantes se feras à l'aide des plans d'expériences et du logiciel
Mini Tab V16, ainsi que les caractéristiques rhéologiques des pâtes auto-plaçantes seront
2
Dans le premier chapitre de ce mémoire, nous présentons une synthèse bibliographique sur les travaux réalisés sur les BAP d’une manière générale, les pâtes auto-plaçantes, ainsi que l’utilisation des plans d’expériences dans la formulation des pâtes et bétons auto-plaçants, seront exposés dans ce chapitre.
Le deuxième chapitre, nous nous somme intéressé dans un premier temps à l’étude des
pâtes auto-plaçantes, les constituants des pâtes auto-plaçantes, leurs domaines d’application et les caractéristiques rhéologiques des pâtes auto-plaçantes ont été présentés. Dans un deuxième lieu, les bétons auto-plaçants ont été étudiés, le squelette granulaire, les méthodes de formulation de BAP, les particularités des BAP, la caractérisation des bétons auto-plaçants à l’état frais et durci, ainsi que les avantages des BAP seront présentés.
Le troisième chapitre est consacré à l’étude de la méthode des plans d’expériences, des
généralités sur les plans d’expériences, le principe des plans d’expériences, les conditions d’application des plans d’expériences, les étapes d'une étude par les plans d'expériences, ainsi que les différents types des plans d’expériences seront exposés.
Dans le dernier chapitre, nous présentons les différents matériaux utilisés dans le cadre de cette étude et leurs propriétés seront montrées. Nous présentons par la suite, la démarche expérimentale utilisée pour la caractérisation des pâtes auto-plaçantes à l’état frais par des essais rhéologiques (étalement et écoulement).La formulation des pâtes auto-plaçantes avec la méthode des plans d’expériences et le logiciel Minitab sera présenté. Les résultats des essais d'étalement au mini-cône et au cône de Marsh, ainsi que les modèles obtenus seront présentés.
3 I. Etude bibliographique
I.1. Introduction
Le premier chapitre de ce mémoire est consacré à l’étude bibliographique, dans lequel il est rappelé les principaux travaux en relation avec notre travail de recherche. Notamment des travaux ou les auteurs ont traités des thématiques sur les plans d’expériences et les pâtes auto-plaçantes.
I.2. les travaux de recherche réalisée sur les plans d’expériences
En 2012, une étude faite par : Arabi N.S. Alqadi et al, sur la thématique : « Development of self-compacting concrete using contrast constant factorial
design ».
L'objectif de cette étude est de déterminer si l'ajustement des quatre facteurs à savoir : le dosage en ciment (C), le rapport eau sur la poudre de ciment (E/C), le dosage des cendres volantes (FA), et le dosage en superplastifiant (Sp) augmentera la résistance à la compression du béton auto-plaçant. En utilisant les plans d’expériences et la méthode de surface de réponse.
Un plan factoriel de K facteurs chacun à deux niveaux à été utilisé avec 16 points. Ils ont conclu que les interactions entre les paramètres d'un effet combiné de (C) avec (Sp), (E/C) avec (Sp), (FA) avec (Sp), et (C) avec (FA) et (Sp) dans un modèle quadratique complet sont les seuls effets significatifs.
Les valeurs des facteurs pour les 16 formulations sont présentées dans le tableau (I.1), ainsi que l’étalement à l’état frais et la résistance mécanique à la compression après 28 jours des bétons auto-plaçants.
Tableau I. 1 : Les facteurs et les réponses des 16 formulations étudiées. N° Formulation C (kg/m3) Rapport E/C FA (kg/m3) SP (kg/m3) R C(MPa) Diamètre d’étalement (mm) 1 412.5 0.32 120 8.1 42.4 625 2 437.5 0.32 120 8.1 41.5 730 3 412.5 0.36 120 8.1 37.1 801.5 4 437.5 0.36 120 8.1 38.6 925
4 5 412.5 0.32 140 8.1 38.5 790.5 6 437.5 0.32 140 8.1 43.3 728 7 412.5 0.36 140 8.1 47.8 833 8 437.5 0.36 140 8.1 48.2 847.5 9 412.5 0.32 120 9.9 47.2 667.5 10 437.5 0.32 120 9.9 41.9 830 11 412.5 0.36 120 9.9 44.5 890 12 437.5 0.36 120 9.9 41.1 850 13 412.5 0.32 140 9.9 46.2 820 14 437.5 0.32 140 9.9 38.0 885 15 412.5 0.36 140 9.9 41.0 850 16 437.5 0.36 140 9.9 41.1 860
Les diagrammes d'interaction de la Fig. (I.2) (a) - (c) et Fig. (I.1) (a) - (c) fournissent une interprétation pratique des résultats de cette recherche expérimentale.
La surface de réponse est générée par le modèle de régression Equation (1). Et la résistance à la compression prédite (𝑌̅) :
Tous les diagrammes d'interaction de la Figure (I.1) (a), (b) et(c) indiquent que, pour maximiser la résistance à la compression, les variables A (x1), B (x2), C (x3) et D (x4)
devraient être à un niveau élevé et le processus est relativement robuste par rapport à la teneur de D .Le tracé de la surface de réponse aussi dans la Figure (I.2) (a), (b) et(c) montre que la résistance à la compression la plus élevée est obtenue lorsque des teneurs en ciment, le rapport (E/C), la teneur de (FA) sont élevés et le dosage en super-plastifiant (SP) est faible.
5
D’après les résultats de cette étude, les conclusions suivantes peuvent être tirées : 1. Les paramètres d'interaction AD, BD, CD, et CD sont les seuls effets significatifs.
2. Afin d’obtenir une résistance à la compression maximale, les variables telles que la teneur en ciment A (x1), le rapport eau sur poudre B (x2), la teneur en cendres volantes C
(x3), et le dosage en superplastifiant D (x4)devrait être maintenu à un niveau élevé.
Figure I. 1 : Tracé contenant de résistance à la compression, (a) : en fonction de SP et C, (b) : en fonction de SP et E/C et (c) : en fonction de SP et FA du BAP.
Figure I. 2 : Tracé surface de réponse de la résistance à la compression,(a) : en fonction de SP et C,(b) :en fonction de E/C et (C) : en fonction de SP et FA du BAP.
6
En 2009, une étude faite par : Maher El Barrak et al sur la thématique :
Self-compacting concrete paste constituents : Hierarchical classification of their influence on flow properties of the paste.
Ce travail vise à clarifier l'influence de la nature et du dosage des constituants sur les propriétés rhéologiques de la pâte de ciment dans le cadre de la formulation de béton auto-plaçant. Les mélanges de pâtes ont été réalisés avec du ciment Portland ordinaire, filler calcaire, un super-plastifiant (de type poly-carboxylate) et un agent de viscosité (de nano-silice).
Leurs propriétés d'écoulement ont été caractérisées au moyen de diamètre d'étalement, la limite d'élasticité statique et de la viscosité apparente. Afin de tenir compte des variations implicites des dosages des constituants induites par les contraintes relationnelles, une technique d'expérimentation de mélange à été adoptée. Une matrice d'expériences à été construite, chaque réponse rhéologique à été exprimée selon les dosages des constituants, certaines tendances quant à l'effet des différents constituants du mélange et de leurs interactions peuvent être trouvé.
Une analyse descriptive de la base de données montre que les réponses rhéologiques se répartissent en trois groupes distincts de cohérence. Par conséquent, les outils statistiques (analyse de variance, méthode de l'arbre binaire couplé avec la méthode du bootstrap) ont été utilisés pour établir une classification hiérarchique des constituants. Les résultats ont montré que le superplastifiant et l'agent de viscosité est dominant dans la limite d'élasticité. La viscosité apparente est contrôlée par le ciment et le superplastifiant à faible gradient de vitesse alors qu'il est commandé par la poudre (ciment + fines) et de l'eau à gradient de vitesse élevé. L'agent de viscosité agit au repos plutôt que pendant l'écoulement.
Domaine expérimental
Une série d'expériences préliminaires ont permis de terminer la proportion de chacun des constituants de telle sorte que les mélanges obtenus présentent toujours un aspect homogène, sans sédimentation excessive, et les propriétés rhéologiques mesurables. En outre, les proportions sont restées dans la fourchette recommandée par les fabricants pour les bétons auto-plaçants (tableau I.2).
Détermination de la matrice d'expérimentation
Dans la technique d'essai de mélange, la conséquence de faire varier le dosage d'un constituant quelconque sur les autres est pris en compte par la relation suivante :
7
Où C, F, SP, VA et W sont respectivement les proportions volumétriques de ciment, de filler calcaire, de super-plastifiant, d’agent de viscosité et d'eau.
Tableau I. 2 : Les proportions des constituants du BAP.
Les fines calcaires = 20 à 30 % de la masse de ciment
Le super-plastifiant = 0,9 à 1,1 % de la masse de (ciment + Fines calcaires) L’agent de viscosité = 3 à 4,5% de la masse de (ciment + Fines calcaires) 0,61 ≤ Concentration Volumétrique Solide(𝑉𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑒
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) ≤ 0,63
La matrice des expériences à été produite à l'aide du logiciel Nemrodw et satisfait trois critères, la qualité finale de l'information, la qualité du coefficient de modèle, et la qualité de prédiction du modèle. La matrice des expériences est composée de 21 points (tableau I.2) qui sont prises sur les frontières du domaine. La première colonne du tableau (I.3) est le numéro du mélange; les autres donnent les proportions volumétriques des constituants. Cette matrice de base à été destinée à la détermination des coefficients bi et bij. D'autres expériences ont été
également sélectionnées par Nemrodw dans le domaine expérimental pour valider le modèle mathématique.
8
Le modèle (Eq. 3) peut également être utile de souligner les tendances de l'effet des différents constituants de mélange et de leurs interactions, à condition que certains dosages constitutifs soient maintenus à une valeur donnée. Ici, à des fins de conception, l'analyse à été réalisée en fixant W / (C + F), et les rapports F / C et on examine l'influence de rapports SP / (C + F) et Va / (C + F) sur les réponses rhéologiques, tel que l’écoulement.
Une approche statistique à été effectuée, ce qui permet une analyse globale de la base de données, qui vise à classifier l'influence de chaque constituant sur les propriétés d'écoulement du mélange.
D’après les résultats de ce travail, en comparaison avec le béton vibré, le béton auto-plaçant ne peut être obtenu qu’avec l'utilisation de constituants supplémentaires tels que des adjuvants chimiques et des additions minérales. Considérant que les propriétés d'écoulement de la pâte de ciment régissent la capacité auto-plaçante du béton, il est nécessaire de comprendre l'influence de chaque constituant sur le comportement d'écoulement du béton. Dans ce travail, ils ont proposé une classification de l'influence des constituants sur les propriétés rhéologiques des pâtes cimentaires.
Les conclusions suivantes peuvent être retenues :
En ce qui concerne la capacité d’écoulement, le superplastifiant reste le constituant dominant. Une fois la limite d'élasticité est dépassée, l'eau et le ciment, ou implicitement le rapport W /C, viens en deuxième position.
Le dosage en ciment à l'effet le plus important sur les valeurs de viscosité apparente à différents gradients de vitesse. L'influence du superplastifiant est particulièrement marquée (en deuxième position) à de faible gradient de vitesse alors qu'il est d'une importance mineure à des gradients élevés de vitesse. Dans ce dernier cas, les frottements entre les particules est renforcée et que la viscosité est contrôlée par la poudre (ciment + fines calcaires) et la teneur en eau, qui est lié au fait que la teneur en eau et des fines calcaires deviennent plus significative.
9
I.3. Les travaux de recherche réalisé sur pâtes et les bétons auto-plaçantes
En 2013, une étude faite par : « M. Adjoudj et al » sur la thématique : « Effet de la
fume de silice sur la rhéologie des mortiers en présence d’un superplastifiant ».
Aujourd’hui, il est encore difficile de connaître, à partir des seules propriétés d’un nouveau matériau, son effet sur le comportement du béton frais lorsqu’il est ou non couplé à un super-plastifiant. Les résultats de cette étude montrent que l'ouvrabilité du béton est très sensible à la nature du couple superplastifiant/liant et que la fumée de silice agit favorablement sur la rhéologie et sur la perte d'affaissement du mortier au cours du temps, lorsqu'elle est ajoutée en teneur voisine de 10%. Ceci permettra de sélectionner les dosages optimaux pour les ciments les plus performants, aussi bien du point de vue ouvrabilité que du point de vue durabilité.
Détermination des propriétés rhéologiques
Les mesures brutes obtenues sont représentées sous la forme des courbes : couple de cisaillement moyen M(Nm) – Vitesse de rotation imposée N (tour/s). Pour exprimer à partir des mesures brutes (M en fonction de N), la relation contrainte-vitesse de cisaillement dans une géométrie couette est établie en considérant localement le fluide en écoulement comme étant un fluide de Bingham. Pour un tel fluide, l’expression de la vitesse de cisaillement dépend du régime d’écoulement dans l’entrefer.
Pour déterminer expérimentalement le comportement rhéologique des mortiers, on à utilisé un rhéomètre rotatif à cylindres coaxiaux Heidolph- RZR 2102 Control Z, présenté sur la figure (I.3) Agitateur de marque Heidolph- RZR 2102 Control Z (Figure I.3.a), Croisillon de dimension dxh = 5x10 cm, (Figure I.3.b).
10
Compositions des mortiers de ciment
Les coulis sont réalisés à partir des mélanges comportant des teneurs variables en fumée de silice (10, 20 et 30%) et deux types de superplastifiants (SP1, SP2) utilisés avec des dosages variant de 0, 0.2, et 0.4% du poids de ciment.
La fumée de silice est ajoutée en substitution du ciment avec un rapport E/C=0.55. La température adoptée pour cette étude est de 20C°. En supposition que les mesures rhéologiques sont effectuées avant tout dégagement de chaleur d’hydratation des différentes phases du ciment.
Figure I. 5 : validation de la contrainte de
cisaillement en fonction du taux de cisaillement pour les mortiers contenant la fumée de silice et adjuvantes en superplastifiant (SP2).
Figure I. 4 : Validation de la contrainte de
cisaillement en fonction du taux de cisaillement pour les mortiers contenant la fumée de silice et adjuvantes en superplastifiant(SP1).
11 Interprétations des Résultats
Les couplages ciment-fine-adjuvant, qui sont d’ailleurs les cas les plus susceptibles de se présenter dans la réalité des bétons modernes, se font donc avec apparition d’interactions significatives. Les figures(I.4) et (I.5) illustres l’effet de la fume de silice introduite en remplacement de 10 ,20 et 30% du ciment dans des pâtes adjuvantes à 0, 0,2 et 0,4% de SP1et SP2 sur la valeur du seuil de cisaillement. On observe que les additions minérales agissent suivant un mécanisme différent de celui du superplastifiant. La pente reste constante pour toutes les droites. Par contre, ces droites subissent des translations traduisant par un accroissement de la demande en eau (fumée de silice FS). Le cas particulier de la fumée de silice dosée à 30% représente l’exception pour laquelle la pâte mixte se comporte comme une pâte de ciment seul très peu adjuvantes. En outre, On constate que la pente de des droits croît avec le dosage en super-plastifiant, ce qui est probablement la conséquence de la défloculation de la pâte cimentaire.
Conclusion
Dans cette recherche, Ils ont présenté qualitativement l'influence de deux paramètres (super-plastifiant et fumée de silice). Les résultats expérimentaux indiquent que les mortiers testés respectent le modèle de Bingham, ce qui vérifie l'assertion de Tatersall, tout au moins dans une certaine plage de gradient de vitesse. Cette conclusion est valable à condition que les bétons restent dans la gamme de consistance de très plastique à fluide, et que ces matériaux restent homogènes pendant l'essai.
La fumée de silice agit favorablement sur la rhéologie et sur la perte d'affaissement du mortier au cours du temps, lorsqu'elle est ajoutée en teneur voisine de 10%.
La viscosité et le seuil de cisaillement des mortiers diminuent avec l’augmentation du dosage en superplastifiant. Il existe une nette corrélation entre les paramètres rhéologique (τ et µ) et l’affaissement ce qui encourage à mieux prédire ces paramètres par un simple essai statique. En2015, une étude faite par: “Rafat siddaque et Al” sur la thématique “Strength and
permeation properties of self-compacting concrete containing fly ash and hooked steel fibers”.
Dans ce travail de recherche, une étude à été réalisée par Rafat siddaque et Al, dont le but de voir l’influence des fibres d’acier à des différentes teneurs (0%.1%.1.5%) en volume et de 10% l’addition de cendre volante, sur les propriétés rhéologiques et mécaniques de béton auto-plaçant.
12
Quatre mélanges de BAP ont été formulés et leur composition est donnée dans le tableau suivant :
Tableau I. 4 : Composition des bétons.
Mélange ID Ciment (Kg) Cendre volante (%) Fibre d’acier (%) Sable (Kg) CA (Kg) Eau (Kg) E/L SP(%) SCC1 450 10 0 910 590 205 0.41 102 SCC2 450 10 0.5 910 590 205 0.41 1.2 SCC3 450 10 1 910 590 205 0.41 1.2 SCC4 450 10 1.5 910 590 205 0.41 1.2 Les résultats du béton à l’état frais ont été évaluées par les essais rhéologique (l’affaissement ; V-funnel ; L-box ; U-box)
Les résultats de caractérisation de ces BAP sont présentés dans le tableau (I.5).
Tableau I. 5 : Les résultats d’éboulements sur le béton.
Mélange ID Fibre d’acier (%) L’affaissement (mm) V-funnel (s) L-box (H2/H1) U-box (H1/H2) SCC1 SCC2 SCC3 SCC4 0 0.5 1 1.5 720 690 670 650 7 8 11 12 0.98 0.9 0.85 0.8 6 19 26 29 Range (EFNARC, 2005) 640-800 6-12 0.8-1 0-30
D’après ces résultats on remarque que :
L’augmentation de la teneur en fibres d’acier dans le BAP réduit sa maniabilité, mais les propriétés du béton frais tels que le flux d'affaissement (640- 720 mm), le temps V-entonnoir (s 7-12), les essais de la boîte en U et le rapport (H2/H1) de la boite en L (0,8 à 0,98) et (6-29 mm) les valeurs qui ont été trouvées s’insèrent dans les limites spécifiées par EENARC.
13
Figure I. 6 : effet de la tenure des fibres d’acier sur la résistance à la compression.
D’après la figure (I.6), la résistance à la compression de BAP augmente jusqu'à 12,16% avec l'inclusion de fibres d'acier de 1,0%, cependant, la teneur en fibres plus élevée (1.5%) mène à une réduction.
14
La figure (I.7) montre que : le fractionnement de traction et de résistance à la flexion à augmenté d'environ 44% et 39% et 24% et de 33% à 7 et 28 jours, respectivement, avec une augmentation de la teneur en fibres d'acier de 0% (BAP1) à 1,5% (BAP4) en volume.
En 2015, une étude faite par:“Eenhab Khalil et Al ” sur la thématique “Impact
resistance of rubberized self-compacting concret ”.
Le but de cette recherche de voire l’effet de caoutchouc sur le comportement de béton.
Dans cette étude quatre BAP ont été formulé (tableau I.6) avec un remplacement partiel de sable par des différentes proportions de caoutchouc (10%, 20%, 30% et 40%).
Tableau I. 6 : Les composition des BAP
Le Mélange Ciment (Kg/m3) Eau (Kg/m3) Gravier (Kg/m3) Sable (Kg/m3) Sp (Kg/m3) CDK (Kg/m3) Caout-chouc RBAP-00 RBAP-10 RBAP-20 RBAP-30 RBAP-10 360 360 360 360 360 202.5 202.5 202.5 202.5 202.5 805.58 804.09 807.07 807.07 808.06 805.85 776.26 751.19 564.95 484.84 9 10.35 7.65 6.75 6.75 90 90 90 90 90 0 27.83 55.37 83.81 111.89 Ils ont constaté que la substitution de sable par du caoutchouc affecte le comportement du béton. Les résistances à la compression, à la flexion et la contrainte de déformation. La résistance à la compression à montré une diminution considérable avec l'augmentation de la teneur en caoutchouc comme présenté dans la Figure (I.10). Une réduction environ 40% à été observée entre 0% et 40% de remplacement du sable par le caoutchouc, donc la résistance à la compression varie en fonction de la teneur en caoutchouc.
15
Figure I. 8 : Résistance à la compression pour tous les mélanges.
D’après la figure (I.8): L’augmentation de la tenure en caoutchouc mène à une réduction d’environ de 29% de la résistance à la flexion.
Figure I. 9 : Résistance à la flexion pour tout le mélange.
D’après la figure (I.9): L’augmentation de la tenure en caoutchouc mène à une réduction d’environ de 29% de la résistance à la flexion du béton auto-plaçant.
En 2015, une étude fait par: “Wan Ibrahim M. H et Al ” sur la thématique “Split
tensile strength on self-compacting concrete containing coal bottom ash”.
L’objectif de cet article est d’étudier l’effet des cendres de charbon de fond sur les BAP. Quatre mélanges de différent rapport eau/ciment (0.35 ; 0.40 ; 0.45) ont été coulés avec un remplacement de granulat fine par le CBA (0% ; 10 %; 20 % ; 30%).
16
Figure I. 10 : flux d’affaissement en fonction de la teneur du CBA.
Dans cette figure (I.10), on remarque que l’augmentation de la teneur en cendres de charbon diminue l’affaissement des bétons auto-plaçants. Pour BAP avec 10% de remplacement de CBA montre la valeur la plus élevé de l’affaissement, mais quand en augmente le taux de remplacement à 30%, l’affaissement va diminuer.
Figure I. 11 : Résistance à la traction à 28 jours.
Dans la figure (I.11) on remarque que le rapport E/C et le taux de remplacement de CBA affecte d’une manier négatif la résistance à la traction du béton auto-plaçant.
Et d’après cette étude on peut conclure que, l’augmentation du taux de remplacement des agrégats fins par CBA à un effet négatif sur les propriétés physico-mécanique des bétons auto-plaçants.
17
En 2012, une étude fait par :“Mohamed Heikal et Al ” sur la thématique “ Mechanical,
microstructure ans rheological characteristics of high performance self-compacting cement pastes and concrete containing groundclay bricks”.
Le but de cette recherche est de caractériser un béton auto-plaçant à base des briques de terre. La teneur totale en poudre est de 400 kg / m3, le ciment à été remplacé par GCB de 0,0, 12,5,
25 et 37,5% en masse (à savoir 0,0, 50, 100 et 150 kg / m3).Le béton à été caractérisé par des
essais de compression.
Les résultats sont représentés sur la figure (I.12).
Figure I. 12 : La résistance à la compression à 28 jours par rapport des différents dosages de
GCB.
La résistance à la compression à 28 jours par rapport des différents dosages de GCB.
Mohamed Heikal et Al, Ont constaté que plus le dosage de GCB est élevé, plus est la
résistance à la compression du béton augmente Figure (I.12) ; en remplaçant 37.5 % en masse de ciment la résistance à la compression peut atteindre jusqu’à 290 kg/cm2 à 28 jours.
En 2015, une étude fait par: “Pawer Niewiadomski et Al” sur la thématique “The
influence of an additive in the forme of selected nanoparticles on the physical and mechanical characteristics of self-compacting concrete”.
L’influence des additifs nano-particulaires tel que (SiO2, Al2O3, TiO2) sur les caractéristiques
physique et mécanique de béton auto-plaçant à été étudiée.
18
Tableau I. 7 : Les compositions du béton.
Nombre de mélange Type des additions nano Eau (kg) Ciment (kg) Granulats (kg) Nano-addition (kg) SP (kg) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S6 S7 S8 S9 S10 S11 - SiO2-0,5% SiO2-2,0% SiO2-4,0% TiO2-0,5% TiO2-2,0% TiO2-4,0% Al2O3-0,5% Al2O3-1% Al2O3-2,0% Al2O3-3,0% 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 193,2 460,0 457,7 450,8 441,6 457,7 450,8 441,6 457,7 455,4 450,8 446,2 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 1640 0,0 2,3 9,2 18,4 2,3 9,2 18,4 2,3 4,6 9,2 13,8 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 La résistance à la compression du béton la plus élevée à été obtenue pour la série de béton S2, S4, S6 et S8 qui contient respectivement 0.5% ; 4% de SiO2 ; 2% de TiO2 ; et 0.5% de Al2O3.
Figure I. 13 : La résistance à la compression à 28 jours.
D’après cette étude les principaux résultats obtenus sont :
Les additions SiO2, Al2O3 diminué la maniabilité de béton
L’incorporation de : 0.5% à 4% de SiO2, 2% de TiO2, 0.5% et 2% d’Al2O3, en
19
En2015, une étude faite par: “Shahid Iqbal et al“ sur la thématique “ Effect of change in
micro steel fiber content on properties of High strength Steel fiber reinforced Lightweight Self-Compacting Concrete(HSLSCC)
Cette recherche à été effectuée pour étudier l’effet des fibres d’acier avec des différant proportion sur les propriétés du béton à l’état frais ou durci. Quatre mélanges de béton de HSLSCC avec différentes teneurs en fibre ont été élaborés.
Tableau I. 8 : composition de béton.
Les figures (I.14) ;(I.15): qui présenté la respectivement la variation des résistances à la traction et à la compression du béton.
Figure I. 14 : la variation de la résistance à la compression du béton.
Type De béton
Quantité (kg /m3)
Ciment FS SP VMA fibre d’acier gravier gros agg fine eau FRC 0.5 FRC0.75 FRC 1 RFC1.25 465 125 14 0 40 305 525 272 465 125 14 0 60 305 525 272 465 125 14 0 80 305 525 272 465 130 14 3 100 305 525 272
20
Figure I. 15 : Validation de résistance à la traction du béton.
Montrent que l’ajout des fibres d’aciers pour les bétons auto-plaçants présente une forte influence sur l'ouvrabilité du ce dernier, avec une teneur en fibres d'acier de 1% ou plus. Il y à environ 7% de réduction de résistance à la compression, une augmentation de 18% et 70% de la résistance à la traction par fendage et de résistance à la flexion, respectivement, avec une augmentation de la teneur en fibres d'acier de 0,5% à 1,25%.
En 2014 une étude faite par «Sofiane BELLIFA et al» sur la thématique «Influence des
fillers calcaires sur la porosité et la distribution porale des pâtes auto-plaçantes».
L’effet du l’ajout des fillers calcaire au ciment sur la fluidité des pates auto-plaçants à l’état frais et leur porosité à l’état durci.
Un programme expérimental à été réalisé sur des pâtes auto-plaçantes où les fillers calcaires ont été substitués au ciment composé dans des taux de 10, 15 et 20%, en vue d’étudier leur incidence sur la porosité et la distribution porale de ces pâtes à 7j, 28j et 90j en utilisant le prosimètre au mercure.
Compositions des pâtes de ciment
Les compositions des différentes pâtes sur lesquelles les mesures des diamètres d’étalement au mini-cône ont été effectuées (tableau I.9). Le rapport E/L à été fixé à 0,45 pour tous les mélanges.
Le dosage du superplastifiant se situe dans l’intervalle recommandé par le fabricant (0,6 - 1,2%). Le ciment a été substitué par les fillers calcaires à 10%, 15% et 20% de la masse du liant (ciment + fillers calcaires).
21
Tableau I. 9 : compositions des pates étudiées.
Ciment %
Filler calcaires en substitution au ciment % Eau/Liant (E/L)% Super-plastifiant (SP)% 90 85 80 10 15 20 0.45 0.6-0.7-0.8-0.9 – 1-1.1-1.2
Figure I. 16 : Evolution des résistances à la compression des pates auto-plaçantes.
D’après la figure (I.16) nous remarquons que la substitution partielle du ciment portland par les fillers calcaires fait diminuer la résistance à la compression.
22
La figure (I.17) montre que La substitution partielle du ciment par l’addition filler calcaire permet d’améliorer la fluidité des pates et réduit la porosité.
Une recherche faite par «BEHIM Mourad et Ali BOUCETTA» Tahar sur la
thématique « Valorisation du verre à bouteille comme addition fine dans les bétons auto-plaçants»
Dans le but de vérifié l’effet de la poudre de verre sur les propriétés des bétons auto-plaçante, un béton de référence sans addition (BAP) et six à base de déférent pourcentage des additions filler calcaire (BAPF) et poudre de verre (BAPV) ont été formules.
Les résultats obtenue montre que ces addition amélioré les propriétés physique et mécanique du BAP.
D’après les figures (I.18) qui reprisent Influence du dosage des additions sur la résistance en compression à 28 jours et 14.
Figure I. 15 : Influence du dosage des additions sur la résistance en compression à 28.
Influence du dosage des additions sur la résistance en compression à 28 jours.
La figure (I.19) représente l’effet des additions sur le seuil de cisaillement des pâtes auto-plaçantes.
23
Figure I. 19 : Effet des additions dur le seuil de cisaillement.
La résistance à la compression des BAPF est supérieure à celle de BAPV. figure (I.18)
L’augmentation de la poudre de verre tend à augmenter la résistance à la compression.
le seuil de cisaillement augmente lorsque les dosages des ces addition augment. figure (I.19)
En 2015 une recherché faite par: « Cairong Lu» sur la thématique «Relation ship
between slump flow and rheological properties of self compacting concrete with silica fume and its permeability»
Les compositions des différents mélanges qui ont été réalisées dans cette étude pour voir l’effet de la fumée de silice sont présentées sur le tableau suivant :
Tableau I. 10 : Les compositions des différents BAP. Mélange Mélange ID E/C Eau (kg/ m3) ciment (kg/m3) silice (kg/m3) Sable (kg/m3) Gravier (kg/m3) WRA (kg/m3) 1 2 3 4 5 6 7 P SF2 SF4 SF6 SF8 SF12 SF16 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 181 181 181 181 181 181 181 512 501 491 481 471 450 430 0 10 20 31 41 61 81 766 744 722 750 768 739 714 842 842 842 842 842 842 842 6.91 6.91 6.91 6.91 6.91 6.91 6.91
24
La figure (I.20) représente la contrainte de cisaillement du BAP en fonction de dosage de la fumée de silice.
Figure I.20 : la limite d’élasticité en fonction de la tenure en fumée de silice.
La figure(I.21) représente la viscosité plastique du BAP en fonction de dosage de la fumée de silice.
25
Tableau I. 11 : Les résultats rhéologique.
Figure I. 22 : Viscosité plastique, ainsi que le coefficient de perméabilité par rapport au
contenu de la fumée de silice.
D’après les résultats expérimentaux, Cairong Luet et al, ont conclu que la teneur en fumée de silice affecte les paramètres rhéologiques de béton :
La limite d’élasticité augmente avec l’augmentation de la fumée de silice (figure I.20), tandis que la viscosité plastique diminue au début jusqu’à 4% et y à un palier de 4% jusqu’à 8%, à partir de 8% de fumée de silice la viscosité plastique augmente (figure I.21). M él ange M él ange ID D ens ité (kg/ m 3 ) A ir c ont ent (%) Affaissement (mm) fl u x d 'a ffa is se m e n t (m m ) T 500 (S )
10min 30min 60min 90min 120min 1 2 3 4 5 6 7 P SF2 SF4 SF6 SF8 SF12 SF16 2371 2255 2264 2302 2329 2279 2248 5.6 8.3 9.0 7.8 7.0 9.0 8.5 740 680 620 500 500 705 685 665 485 485 715 680 595 390 390 705 665 565 435 435 675 665 480 385 385 470 450 375 340 340 405 385 330 300 300 690 665 685 655 625 415 345 5.0 5.2 4.5 4.4 4.8
26
En augmentant la teneur de la fumée de silice, le diamètre d’écoulement des BAP diminue (tableau I.9).
L’incorporation de plus de 5% de fumée de silice permet d’avoir un BAP moins perméable et la viscosité plastique diminue (figure I.22).
Conclusion
Dans ce chapitre une recherche bibliographique à été réalisée sur les plans d’expériences, les pâtes et les bétons auto-plaçants. Cette recherche nous à permis d’avoir une idée sur les travaux de recherche qui se font actuellement sur les pâtes auto-plaçantes et le BAP.
Dans le chapitre suivant nous allons étudier les pâtes auto-plaçantes, leurs caractéristiques rhéologiques, ainsi que les bétons auto-plaçants seront étudiés et les méthodes de formulation de BAP.
27 II.1. Introduction
Le Béton est composé généralement d’une phase fluide (la pâte) et d’une phase solide (granulats à rapport gravier/sable fixe), les propriétés d’un béton auto-plaçante proviennent nécessairement de celles de la pâte. Pour cela, l’étude des formulations se basent essentiellement sur la pâte et ces constituants. Les mesures rhéologiques effectuées sur les pâtes peuvent servir de base pour la prédiction des propriétés rhéologique des bétons.
Les Bétons auto-plaçant (BAP) sont des matériaux fluides qui se mettent en place sans vibration. Ils se distinguent donc des bétons dits ordinaires (BO), ou bétons vibrés, par leurs propriétés à l'état frais. Ils sont capables de s'écouler sous leur propre poids, quel que soit le confinement du milieu, et restent homogènes au cours de l'écoulement (absence de ségrégation dynamique) et une fois en place (absence de ségrégation statique). [15]
II.2. Définition de la pâte auto-plaçant
La pâte de ciment est composée principalement de ciment (C) et d’eau (E). À la base de la formulation de tous les matériaux cimentaires, joue un rôle clé dans leurs propriétés de par son implication dans le phénomène de prise et de son rôle de relié entre les grains de dimensions supérieures, comme le sable et/ou les granulats. On appelle une pâte auto-plaçant l’ensemble ciment, additions, eau efficace, air, adjuvants. [16]
La pâte auto-plaçante contribue à l’écoulement suivant un processus rhéologique lie essentiellement à sa viscosité. Le comportement rhéologique de la pâte auto-plaçant est plus complexe par rapport au comportement rhéologique de la pâte ordinaire.
II.3.Composition de la pâte auto-plaçant II.3.1. Le ciment
Le ciment est un liant hydraulique il se présente sous l’aspect d’une poudre très fine obtenu par broyage et cuisson à 1450 c° d’un mélange de calcaire et d’argile appelé clinker, cette poudre est mélangée avec l’eau pour former une pâte, qui fait prise et durci progressivement dans le temps. [17]
Les ciments sont classés selon la norme NF EN 197-1, en fonction de la teneur des constituants autre que le gypse ajouté ou le clinker, ils représentés dans le tableau II.1.
28
Tableau II. 1: La classification des ciments selon la Norme NF EN 197-1. Type de ciment Classification européenne Classification française
Ciment portland artificiel CEM I CPA Ciment portland composé CEM II CPJ Ciment de haut fourneau CEM III CHF Ciment pouzzolanique CEM IV CPZ Ciment au laitier ou aux
cendres
CEM V CLC
Les BAP peuvent être réalisés avec la plupart des ciments. Cependant, compte tenu des exigences de démoulage aux jeunes âges, les BAP utilisés dans l’industrie du béton contiennent presque toujours du ciment CPA-CEM I 52.5 ou 42.5.
Constituants principaux de ciment
Le ciment courant à pour constituant principal le clinker, pour obtenir les autres types de ciment on substitut une quantité du clinker par un ajout (exemple : pouzzolane).[17]
Constituants du clinker
C’est un produit obtenu par cuisson du mélange calcaire et l’argile.
Les principaux composants anhydres obtenus lors du refroidissement rapide du clinker sont : Le silicate tricalcique : 3CaO SiO2, noté C3S (60 à 65 % en masse du ciment) ; Le silicate bi-calcique : 2CaO SiO2, noté C2S (20 à 25 % en masse du ciment); L’aluminate tricalcique : 3CaO Al2O3, noté C3A (8 à12 % en masse du ciment); L’aluminate ferrite calcique : 4CaO Al2O3 Fe2O3, noté C4AF (8 à 10% en masse du
ciment).
Le clinker contient encore en faibles quantités, sous forme de solution solide ou pris dans des combinaisons complexes, des alcalis (Na2O, K2O), de la magnésie (MgO), diverses traces de
métaux.
La teneur en alcalis et magnésie doit rester faible, car ces matières peuvent influencer défavorablement la stabilité du ciment durci.
29
Les autres constituants des ciments
Le ciment portland est composé de clinker moulu auquel on ajoute une quantité de gypse, destiné à régulariser la prise. Pour modifier les propriétés du ciment, on ajoute les autres constituants associés au clinker grâce à leurs caractéristiques chimiques ou physiques. Les constituants les plus utilisés sont :
Calcaires ;
Laitier granulé de haut fourneau ; Cendres volantes (V ou W) ; Schistes calcinés ;
Fumée de silice ; Fillers.
Figure II. 1 : Composition de ciment. II.3.2. Les additions minérales
Fille r calcaire
Les fillers calcaires sont des produits secs, très fins, issus du broyage, du clivage, de la taille de la roche calcaire naturelle. Ils se présentent sous forme de poudres non abrasives,
30
principalement constituées de cristaux rhomboédriques de calcite (CaCO3), de dolomie
((Ca,Mg)2 CO3) et de quartz (SiO2). [18]
Quelques carbonates tels que la sidérite(FeCO3), l'ankérite (Ca2MgFe(CO3)4) et la magnésite
(Mg2CO3) sont communément associés aux gisements, en tant que composants mineurs. La
dimension maximale des grains, déterminée conformément à la norme EN933-10 doit être inférieure à 2mm. Leur surface spécifique est généralement proche de celle du ciment. Les fillers calcaires ne réagissent pas ou peu chimiquement avec les composants du ciment ou l’eau de gâchage.[18]
Le s ce ndre s volante s (V-W)
Les cendres volantes sont les pouzzolanes artificielles les plus courantes, proviennent du dépoussiérage des gaz des chaudières des centrales thermiques. Ce sont de fines particules sphériques hétérogènes dont le diamètre peut varier entre 1 et 400 μm, de finesse très élevée. La norme nord-américaine ASTM C 618-94a sépare les cendres volant en deux classes F (V) et C (W) :
Classe (V), cendre volant siliceuses auquel cas elles présentent des propriétés pouzzolaniques.
Classe (W), cendre volant calciques auquel cas, outre leurs propriétés pouzzolaniques, elles peuvent présenter des propriétés hydrauliques.[18]
Le s Pouzzola ne s Nature lle s (Z)
Les pouzzolanes naturelles sont des produits généralement d'origine volcanique, ou des roches sédimentaires, présentant des propriétés pouzzolaniques. Elles sont essentiellement composées de silice réactive, d'alumine et d'oxyde de fer. [18]
Laitie rs de hauts fourne a ux (S)
Ce sont des sous-produits de fabrication de la fonte. Ils sont formés de constituants non ferreux, la composition chimique comporte de l'oxyde de calcium, de la silice, de l'alumine ainsi que de la magnésie et d'autres oxydes en très faibles quantités.
Calcaire s (L)
Les calcaires utilisés comme constituant du ciment et non comme constituant secondaire, c'est-à-dire lorsqu'ils représentent plus de 5 % de la masse totale du ciment, doivent présenter une proportion de carbonate de calcium CaCO3 supérieure à 75 % en masse,
Une teneur en argile telle que l’absorption au bleu de méthylène suit au plus de 1,20 g pour 100 g et une teneur en matières organiques (TOC) au plus égale à 0.5 %.
31
Fume r de silice (D)
C’est un sous-produit de la fabrication du silicium récupéré dans le système de dépoussiérage des fumées.
Constituées de particules environ 100 fois plus petites que les grains de ciment avec un diamètre moyen de l'ordre de 1/10 de micron, présentent des propriétés pouzzolaniques en raison de leur forte teneur en silice amorphe. En outre, en raison de leur finesse, elles complètent la granulométrie des ciments. Ces deux effets entrainent à la fois une forte augmentation de la compacité et une amélioration des résistances mécaniques du fait de la réaction pouzzolaniques des fumées de silice.[18]
Schiste calciné s (T)
Ces produits, obtenus à des températures de l'ordre de 800 °C, présentent, outre leurs propriétés pouzzolaniques, des propriétés hydrauliques lorsqu'ils sont finement broyés.
Figure II. 2 : Les additions minérales. II.3.3. Les adjuvants
Sont des produits chimiques incorporés au béton frais en faibles quantités (en générale moins de 3% du poids de ciment, donc moins de 0,4% du poids du béton) afin d’améliorer certaines propriétés physique ou mécanique de béton.
Les principaux adjuvants sont :
Le s plastifiants , qui jouent un double rôle. Ils permettent, d’une part, d’obtenir des bétons frais à consistance parfaitement liquide, donc très maniables, par défloculation des grains de ciment.
A maniabilité donnée, ils offrent, d’autre part, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du béton. La résistance du béton
32
durci peut ainsi être notablement augmentée. La durée d’action de ces adjuvants est à 1 à 3 heures.
Le s re tardate urs de prise du cime nt, qui prolongent la durée de vie du béton frais. Ils trouvent leur utilisation dans le transport du béton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps chaud. Ils sont aussi employés pour éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage.
Le s accé lé rate urs de prise e t de durcisse me nt, qui permettent, pour les premiers, la réalisation de scellements ou d’étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de résistance au béton.
Le s e ntraine urs d’air, qui confèrent au béton durci la capacité de résister aux effets de gels et de dégels successifs en favorisant la formation de microbulles d’air réparties de façon homogène. Le volume d’air occlus droit être de l’ordre de 6% de celui du béton durci.
Figure II. 3 : Les adjuvants. II.3.4. Eau
L’eau ajoutée lors du malaxage du béton est généralement appelée eau de gâchage est un ingrédient essentiel du béton, elle joue deux fonctions principales :
Confère au béton sa maniabilité à l’état frais (ses propriétés rhéologiques) et assure l’hydratation des grains de ciment pour une prise et un durcissement. [19]
La quantité d’eau utilisée ou plus précisément le rapport eau/ciment a une forte influence sur la porosité du béton, sa perméabilité, les résistances mécaniques, la durabilité, la microstructure et la cinétique d’hydratation.
33
Figure II. 4 : Composition des matériaux cimentaires. II.4. Les principales applications des pâtes cimentaires auto-plaçantes
Travaux souterrains ;
Remplissage de grosses cavités;
Injection dans les failles et les grosses fissures des roches fissurées; Calage de voussoirs préfabriqués (dans la réalisation de tunnels) ; Voile d’étanchéité dans le sol (cas des barrages) ;
Consolidation de dalles (support);
Régénération de maçonneries et joints divers; Injection dans le cas de puits de pétrole.
II.5. Les caractéristiques rhéologiques de la pâte cimentaire
La rhéologie est définie comme étant l'étude de l'écoulement et de la déformation de la matière sous l'action d'une contrainte. [20]Comme certains matériaux ne répondent pas exactement à la théorie de l'élasticité et de la mécanique des fluides, le vocable « rhéologie » à été inventée par des physiciens spécialistes de l'étude des matériaux dirigés par E.C . Bingham.
II.5.1.Méthode de caractérisation de la pate
Il serait vain de vouloir comprendre le comportement du béton sans connaitre celui de la pâte qui le compose, celle-ci est constituée du ciment, additions, l’eau et adjuvant. Parmi les essais de caractérisation on retrouve :
Essai au Cône de M arsh
Différents cônes de Marsh sont utilisés depuis longtemps dans plusieurs secteurs industriels pour apprécier la fluidité de différents types de coulis. Cette méthode consiste à préparer un
