Préparation à la formulation des B.H.P

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Préparation à la formulation des B.H.P

(Méthode des coulis)

Introduction :

Les bétons à hautes performances, de plus en plus utilisés dans les usines de préfabrication et sur les chantiers ont une résistance caractéristique à 28 jours de 60 à 100 MPa.

Pour atteindre ces résistances élevées, ils sont fabriqués à partir de ciments CEM-I 52,5, et le rapport E/C (eau / ciment) doit être le plus faible possible ; la perte de maniabilité étant compensée par l’adjonction d’adjuvants (superplastifiant) et de produits ultra-fins tels que la fumée de silice.

La formule de Bolomey largement utilisée et vérifiée depuis de nombreuses années montre bien l’influence du rapport E/C sur la résistance finale du béton :

fc : résistance du béton à l’age considéré.

fmc : résistance du ciment sur mortier au même age.

Kb : coefficient de Bolomey.

C, E : masses de ciment et d’eau.

V : volume d’air, exprimé en masse du même volume d’eau.

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡ + −

×

= 0 , 50

V E f C

k

fc

^b ^mc

Le coût des additifs utilisés (superplastifiant et fumé de silice) justifie de prévoir le dosage correspondant aux performances attendues. D’autre part, les B.H.P sont mis en œuvre avec une consistance très plastique, voire fluide (slump de l’ordre de 20cm !), il convient d’adapter la formulation du matériau, en particulier d’optimiser le couple [ ciment – superplastifiant ]. Par ailleurs, on doit s’assurer de la compatibilité du superplastifiant et du ciment, en vérifiant le maintien de l’ouvrabilité dans le temps.

Principe

Le point critique de la formulation d’un B.H.P consiste à associer un ciment et un superplastifiant afin d’obtenir un mélange fluide, mais de faible teneur en eau, tout en permettant une mise en œuvre aisée pendant un temps donné.

Un liant et un superplastifiant ayant été choisis à priori, on cherche la dose de saturation (au-delà de laquelle le superplastifiant n’a plus d’effet fluidifiant supplémentaire).

Lorsque la dose de saturation a été trouvée, on vérifie qu’il n’y a pas de risque de perte d’ouvrabilité pour le couple [ ciment – superplastifiant ] utilisé avec le dosage déterminé.

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Préparation à la formulation des B.H.P

(Méthode des coulis)

Principe de la méthode des coulis :

La partie fine de la granularité d’un béton concentre l’essentiel de la surface des grains susceptible d’absorber des molécules de superplastifiant.

En étudiant la partie de béton frais contenant les grains solides de taille ≤ 2mm et la pâte de ciment, on obtient un ″ béton en réduction ″ dont la fluidité fournira l’image du comportement du béton frais.

• Etape N°1 : formulation d’un B.H.P de référence

- Le béton de départ est formulé avec des quantités et qualités de liant(s) susceptibles de fournir la résistance recherchée ;

- On détermine le squelette granulaire avec une méthode du type C.E.S ;

- On fixe un dosage en superplastifiant à 1,5% (extrait sec en masse par rapport au ciment) ; - On règle finalement la quantité d’eau pour obtenir un affaissement au cône > 20cm.

• Etape N°2 : établissement de la courbe de saturation du superplastifiant

- A partir du béton de référence ci-dessus, on déduit les proportions d’un coulis de référence.

Sur ce premier coulis, on fait une mesure du temps d’écoulement de référence au cône de Marsh, soit T0.

- On procède ensuite à différentes mesures du temps d’écoulement sur différents coulis pour lesquels on fait varier uniquement le dosage en superplastifiant.

- On construit le graphique [ temps d’écoulement en fonction du dosage en superplastifiant ] pour en déduire la dose de saturation.

• Etape N°3 : détermination du dosage en eau

demandé

Non - Avec le dosage en superplastifiant retenu (dose de saturation), on fait varier le dosage en eau pour retrouver le temps d’écoulement de référence T0 (de l’étape N°2).

- On détermine ainsi le dosage en eau optimum.

• Etape N°4 : vérification du maintient de la fluidité du coulis

- On vérifie enfin que le coulis garde sa fluidité pendant un temps suffisant et si besoin est, on pourra ajouter un retardateur.

Matériel nécessaire :

• Masse volumique apparente des ciments :

- un récipient cubique ou cylindrique de volume connu et dont la taille est adaptée aux ciments.

- une règle à araser métallique

- une main écope pour le remplissage

- une balance de portée 5 kg, précision 0,01 g

- un entonnoir porté par un trépied, muni d'une passoire et d'un opercule mobile.

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Préparation à la formulation des B.H.P

(Méthode des coulis)

• Masse volumique absolue des ciments : - un pycnomètre

- une pissette - une tige agitateur

- un entonnoir pour le remplissage

- des bacs en plastique pour effectuer les essais - une balance de portée 5 kg, précision 0,01 g

• Méthode des coulis :

- Un cône de Marsh ( P 18-358)

- Un bêcher gradué d’un volume ≥ 500 cm³ - Un thermomètre

- Un chronomètre au dixième de seconde - Un malaxeur normalisé (EN 196-1)

- Une spatule en caoutchouc pour racler le bol du malaxeur - Une balance électronique précise à 0,1g

- Un tamis de 2 mm Matériaux utilisés

- ciment CPJ-CEM II /A-P 42,5 N PM

- superplastifiant : CHRYSOFLUID OPTIMA 175 - kerdane (pétrole désaromatisé)

- Sable tamisé au tamis 2mm Documents à consulter :

- Norme P 18-358 (Adjuvants pour bétons, mortiers et coulis. Coulis courants d'injection pour précontrainte - Mesure de la fluidité et de la réduction d'eau).

Remarque :

- La fabrication des différents coulis nécessite une bonne connaissance du ciment utilisé ; Pour cela, vous rechercherez en premier la masse volumique apparente et absolue de ce ciment.

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Travail demandé

1 / MANIPULATIONS

1.1. Mesurer la masse volumique apparente du ciment étudié : ρcapp (voir annexe N°1).

1.2. Mesurer la masse volumique absolue du ciment étudié : ρcabs (voir annexe N2).

1.3. Fabrication du coulis de référence :

• Fabriquer le coulis de référence en suivant le mode opératoire donné (annexe N°3) et en respectant les quantités données sur le document réponse N°4.

• Mesurer le temps d’écoulement au cône de Marsh et la température (en suivant le mode opératoire de l’annexe N°3). Noter ces valeurs sur le document réponse N°5.

1.4. Fabrication des coulis en variant seulement la teneur en superplastifiant (A) :

• Utiliser le tableau du document réponse N°4 pour confectionner les coulis.

• Confectionner le 1^er coulis en suivant le mode opératoire donné (annexe N°3)

• Mesurer le temps d’écoulement au cône de Marsh et la température (en suivant le mode opératoire de l’annexe N°3). Noter ces valeurs sur le document réponse N°5.

• Recommencer les mêmes opérations pour les autres coulis à tester.

2 / TRAVAIL EN SALLE

2.1. Composition du coulis de référence sur les documents réponses N°1 et N°2.

2.1.1- Calculs préparatoires : répondre sur le document réponse N°1

2.1.2- Recherche du coulis de référence : répondre sur le document réponse N°2 2.1.3- Calcul de la quantité d’eau réelle (e_r) : répondre sur le document réponse N°3 2.2- Détermination de la dose de saturation :

• Tracer sur le document réponse N°5 les points expérimentaux de la courbe de saturation : Log(t) avec t en s en fonction du pourcentage d’extrait sec de superplastifiant par rapport à la masse de ciment et relier les points par une ligne brisée.

• Tracer une droite (D) de référence, de pente 2/5 (voir exemple sur le document réponse N°5)

• Tracer les droites (Di) parallèles à celle de référence et tangentes à la courbe des points expérimentaux. Soit xi les abscisses des points de tangence ;

→ la dose de saturation x_s est alors : x_s = sup (x_i)

2.3- Conclusion.

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Annexe N°1

Mesure de la masse volumique apparente du ciment (ρ

_capp

)

• Mode opératoire :

- Placer l'entonnoir au-dessus du centre de la mesure et fermer l'opercule.

- Verser une petite quantité (200 g environ) de ciment sur la passoire, et la faire descendre dans l'entonnoir à l'aide de la spatule.

- Ouvrir l'opercule : le ciment tombe dans la mesure de volume V₁ connu. Refermer l'opercule lorsque tout le ciment s'est écoulé.

- Recommencer avec de nouvelles quantités de ciment, jusqu'à ce que se produise le débordement tout autour.

passoire

entonnoir

- Araser à la règle, et peser le contenu soit M₁.

- Calculer la masse volumique apparente du ciment : ρcapp = M1 / V1

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Annexe N°2

Mesure de la masse volumique absolue du ciment (ρ

_cabs

)

• Mode opératoire : Utilisation d'un pycnomètre

- Tarer le pycnomètre vide sur la balance choisie.

- verser du kerdane (pétrole désaromatisé) dans le pycnomètre jusqu'au trait repère et déterminer M1 (pycnomètre essuyé)

- vider une partie du pycnomètre et déterminer m₂ - préparer un échantillon de ciment (entre 100 et 300 g)

- verser l'échantillon dans le pycnomètre à l'aide d’un entonnoir et provoquer le départ des vides (= air) en remuant le mélange avec la tige agitateur. Noter la nouvelle masse m'2

- compléter le niveau de kerdane dans le pycnomètre jusqu'au trait repère. Noter la nouvelle masse M3

- filtrer le kerdane du pycnomètre à l’aide d’un filtre à café et son support, et rincer plusieurs fois le pycnomètre pour éliminer tout le ciment.

Calcul de la masse volumique absolue :

On pose: M2 = m’2 - m2 = masse de ciment introduit dans le pycnomètre

M = M1 + M2 - M3 = masse de kerdane "supprimée" par l'introduction du ciment

La masse volumique du kerdane étant de 0,786 g/cm³ à température ambiante, on en déduit V le volume de kerdane "supprimé", donc le volume de ciment ajouté.

ρcabs = M2

V ρcabs en g/cm³ ou kg/dm³ ou t/m³

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Annexe N°3

Fabrication et mesure d’un coulis

• Mode opératoire : Fabrication d’un coulis :

- Mettre dans le bol du malaxeur la quantité d’eau pesée et 1/3 de la dose de superplastifiant ; - Malaxer à petite vitesse (position 1) pendant 15 secondes ;

- Verser le ciment et déclencher le chronomètre (t₀), malaxer à petite vitesse pendant 30s ; - Verser le sable pendant les 30s suivantes en laissant le malaxeur tourner à petite vitesse ; - Malaxer à grande vitesse (position 2) pendant 30s ;

- Arrêter le malaxage pendant 30s et racler le bol avec une spatule en caoutchouc pendant les 15 premières secondes de l’arrêt ;

- Introduire les 2/3 restant de l’adjuvant ;

- Reprendre le malaxage à petite vitesse pendant 15s, puis à grande vitesse pendant 1 min 45s.

Mesure du temps d’écoulement au cône de Marsh :

- Equiper le cône avec la buse de 12,5 mm de diamètre ; Repérer le niveau 1 litre en étalonnant avec de l’eau ; Rincer le cône à l’eau et le poser à l’envers sur la paillasse pendant 20 secondes avant le test.

- Aussitôt après la fin du malaxage, verser 1 litre de coulis dans le cône ;

- Procéder à la première mesure de l’écoulement (retrait du bouchon) à t0 + 5 min ;

Mesurer le temps d’écoulement des 500 premiers millilitres ;

Relever la température du coulis ;

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Annexe N°4

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Document réponse N°1

Composition du béton de référence

• Ciment CPJ CEM II 42,5 c = 429 kg

• Sable de l’île de la Réunion 0/5 ms = 924 kg

• Gravillon de l’île de la Réunion 5/15 mg = 1001 kg

• Eau efficace e = 161 litres

• Coefficient d’absorption des granulats Ab = 1,5 % de la masse des granulats

m kg

s = 2800 3

ρ

• Superplastifiant en extrait sec A = 1,5% de la masse de ciment

m kg

A=1210 3

ρ

Données complémentaires

• Le pourcentage d’extrait sec du superplastifiant en solution aqueuse = 30% = masse anhydre.

•

A A g

g gravier s

s sable e

e c

c V

A V

m V

e V

c = = = =

= ρ ρ ρ ρ

ρ ; ; ; ;

Calculs préparatoires

¾ Calculer la quantité d’extrait sec de superplastifiant : A =

¾ Calculer les volumes suivants

Eléments Masses

kg Détails des calculs Volumes

m³

Ciment c = 429 V_c =

Sable mS = 924 Vs =

(1) Sable passant

au tamis 2mm ms2mm = Vs2mm =

Gravier m_G = 1001 V_g =

Eau efficace e = 161 0,161

1000 161 =

=

= ρ

V_e e Ve = 0,161

Superplastifiant A = V_A =

(1) Pour le sable passant au tamis 2mm, on regarde sur la courbe granulométrique fournie en annexe N°4 le tamisât en % au tamis 2mm.

ms2mm = msx % de tamisât au tamis 2mm = 924 x =

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Document réponse N°2

Recherche du coulis de référence

Notre étude porte sur le « béton en réduction » ou coulis composé seulement avec les éléments suivants :

• Eau : Ve

• Ciment : Vc

• Sable passant au tamis 2mm : V_s2mm

Pour simplifier les calculs, on négligera le superplastifiant (son dosage change à chaque essai).

⇒ Calculer le volume du béton en réduction à partir des volumes V_e, V_c et V_s2mm calculés dans le tableau du document réponse N°1 :

Vbéton en réduction = V_e+ V_c + V_s2mm = 0,161 + + = m³

⇒ Rechercher les proportions des volumes V_e, V_c et V_s2mm dans le béton en réduction :

Ve = 0,161 ×100=

réduction en Béton

V % du V béton en réduction

Vc = % du V béton en réduction

V_s2mm = % du V béton en réduction

⇒ Rechercher les quantités de sable 2mm, de ciment et d’eau nécessaire pour la confection de 1,5 litre de coulis de référence sachant que leurs proportions doivent être conservées :

≤

Ve coulis + Vc coulis + Vs2mm coulis = 1,5 litre

Eléments Volumes

(litre)

Masses (kg) Ciment Vc coulis = 1,5 x c coulis =

Eau Ve coulis = e coulis =

Sable passant au

tamis 2mm V_{s coulis} = ms2mm coulis =

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Document réponse N°3

⇒ Calcul de la quantité d’eau corrigée à mettre réellement dans la confection du coulis : eauréelle (er) La quantité d’eau efficace doit être corrigée en tenant compte de l’absorption du sable et de l’eau amenée par le superplastifiant. Détaillez ci-après vos calculs.

¾ Recherche de l’eau amenée par le superplastifiant :

• Pour la confection du coulis de référence, on prend A = 1,5% de la masse de ciment (c _coulis) : o A = masse du superplastifiant en extrait sec :

A =

• Le pourcentage d’extrait sec du superplastifiant en solution aqueuse = 30% = masse anhydre : A = 30% de AL

o A_L = masse du superplastifiant en solution aqueuse (liquide) AL =

• Connaissant A et AL vous calculez alors la quantité d’eau ajoutée par le superplastifiant : o e_A : eau amenée par le superplastifiant

eA =

¾ Recherche de l’eau absorbée par le sable (ms2mm coulis) du coulis de référence :

• Le coefficient d’absorption des granulats est : Ab = 1,5 % de la masse des granulats eAb =

¾ Calcul de la quantité d’eau réelle : (e_r)

er =

Complétez le tableau des caractéristiques des coulis testés du document

réponse N°4 avec vos résultats.

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Document réponse N°4

Caractéristiques des coulis testés

Coulis Rapport e/c

Ciment : c (g)

Eau efficace:

e (g)

Eau d’absorption

eAb (g)

Sable 0/2

ms2mm (g)

Dosage A/c

% extrait sec

Superplastifiant Extrait sec : A

(g)

Superplastifiant Solution aqueuse : AL

(g)

Eau amenée par le superplastifiant :

eA

(g)

Eau réelle :er

(g)

Coulis de

référence 1,5 19 63 44 366

Coulis 1 0,25 3 10 7 403

Coulis 2 0,5 6 20 14 396

Coulis 3 1 13 43 30 380

Coulis 4

0,375 1251 359 51 2047

2 25 83 58 352

Malaxage d’un coulis sans fumée de silice

Action Durée Temps

cumulé Doses

Introduire e + 1/3 de A 15s Pv 15s e = variable A/3 = variable Introduire C (noter t₀) 30s Pv 45s C = 1251 g

Introduire le sable 30s Pv + 30s Gv

1 min 15

1 min 45 S = 2047 g Arrêt malaxage,

grattage 30s 2 min 15

Introduire 2/3 de A 15s Pv +1 min 45 Gv

2 min 30

4 min 15 3 ^A ^var^iable 2× =

Malaxage 1 min Pv 5 min 15s ) rincer le cône à 4 min 55

Le test d’écoulement ayant lieu à t₀ + 5 min, on laissera le coulis dans le malaxeur en agitation lente pour éviter la sédimentation. Penser à rincer le cône et le mettre à égoutter 20 s avant le test, c’est à dire à 4 min 40 s.

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Document réponse N°5

Tableau des mesures des essais au cône de Marsh

Essais

A/c % en extrait

sec

Temps d’écoulement de 500 cm3

(s)

Température (°C) Coulis de

référence 1,50

Coulis 1 0,25

Coulis 2 0,50

Coulis 3 1,00

Coulis 4 2,00

Exemple de détermination de la dose de saturation d’un coulis

100

: ×

ciment ifiant superplast dosage

X1

Dose de saturation

X2

5

2 D

D1

D2

Log(t)

Détermination de la dose de saturation d’un coulis

Dosage A/C en %

Temps d'écoulement Log(t) avec t en s

Log(6) Log(5) Log(9) Log(7) Log(8) Log(10)

0,5 1,0

Log(25)

Log(15) Log(20) Log(30)

1,5 2,0 2,5 3,0