Effet de l ajout de filler calcaire sur le retrait des bétons autoplaçants

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Submitted on 24 Jun 2015

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Effet de l’ajout de filler calcaire sur le retrait des bétons autoplaçants

Sara Boudraa, Salah Eddine Bensebti, Rachid Lassoued

To cite this version:

Sara Boudraa, Salah Eddine Bensebti, Rachid Lassoued. Effet de l’ajout de filler calcaire sur le retrait des bétons autoplaçants. Rencontres Universitaires de Génie Civil, May 2015, Bayonne, France. �hal- 01167614�

autoplaçants

S. Boudra

, S .Bensebti

, R. Lassoued

1 sara_boudraagc@yahoo.fr , Laboratoire des Matériaux et Durabilité des Constructions Département de Génie Civil, Université Constantine 1,Algérie

2 s_bensebti@yahoo.fr

3 rachid_lassoued@yahoo.fr

Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert »

RÉSUMÉ. Les bétons autoplaçants (BAP) constituent une nouvelle avancée pour la construction en béton. Ce sont des bétons très fluides, se mettant en place sans vibration et sans présence d’une main d’œuvre qualifiée. Ces bétons intéressent de plus en plus les industriels, car ils présentent plusieurs avantages : réduire le cout, construire des éléments à géométrie complexe ou fortement ferraillés, et offre une solution unique à la créativité architecturale.

Le présent travail a pour objectifs d’analyser l’influence des paramètres de composition et de conservation sur le comportement différé sans chargement (retrait) des bétons autoplaçants à base des matériaux locaux.. L’avantage écoenvironnemental est de l’exploitation des vastes étendues de fillers calcaires disponibles à moindre coût dans notre région de Constantine « Algérie ». L’idée clé de cette étude est de garder constant le volume de pâte pour les six BAP formulés et étudier l’influence de la finesse et du dosage du filler calcaire sur les caractéristiques mécaniques instantanées et différées.

MOTS-CLÉS : béton autoplaçant, caractérisation, filler calcaire, retrait endogéne, retrait de séchage.

ABSTRACT. The Self-compacting concrete (SCC) are a new technological step for concrete construction. They are very fluid, taking place without vibration or a qualified labor. These concrete interest more and more manufacturers, because they have many advantages:reducing the cost, building elements with complex geometry or highly reinforced and offers a unique solution for architectural creativity.

The present work aims to analyze the influence of composition and conservation parameter on deferred behavior without loading (shrinkage) of self-compacting concrete using local materials. The environmental impact benefit from the exploitation of vast expanses of limestone fillers available cheaply in our region of Constantine "Algeria". The key idea of this study is to keep constant the paste volume for the six formulated BAP and study the influence of the fineness and limestone filler dosage on instantaneous and differed mechanical characteristics.

KEY WORDS: self-compacting concrete, characterization, limestone fillers, autogeneous shrinkage, drying shrinkage.

1. Introduction :

Le concept du béton autoplaçant est né d'un besoin d'économie et de qualité accrue pour les constructions de béton armé. Ces nouveaux bétons sont des bétons fluides, homogènes, stables et qui se mettent en place dans les coffrages sans efforts de vibration tout en garantissant des structures résistantes et durables, ce sont des bétons qui contiennent plusieurs combinaisons de matériaux cimentaires et ajouts chimiques.

Le développement des fillers pour la production des éco-bétons à l’image des bétons autoplaçants (BAP) devient une préoccupation mondiale majeure qui s’implique dans la stratégie de la diminution de l’émission de gaz carbonique dans l’atmosphère, en effet de la formulation des nouveaux bétons, les fillers se substituent au ciment.

Notre étude s’inscrit dans le cadre de la politique de valorisation des matériaux naturels locaux en Algérie, pouvant être utilisés dans la formulation des bétons autoplaçants à savoir les fillers calcaire. De nombreuses études ont montré les effets favorables des fillers calcaire sur les propriétés des BAP à l’état frais [DIE 2010]

[ZHU 2005] [ELH 2009] et à l’état durci [BOUH 2009]. Cependant les comportements différés des BAP semblent être mal cernés [CHAB 2000] [BEN 2005]. En effet on trouve des résultats contradictoires concernant notamment les valeurs des retraits [TUR 2004] [BOU 2007] [PROU 2000].

Dans ce papier nous nous sommes intéressés expérimentalement au phénomène du retrait des BAP confectionnés avec des matériaux locaux en se focalisant sur l’influence des paramètres de composition (Finesse de filler

Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert ». ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai 2015 2

calcaire et le taux de substitution de ciment par filler calcaire) et de conservation (Humidité relative). Pour atteindre notre objectif nous avons établi un programme expérimental qui s’articule en la confection de six formulations de BAP. Les caractérisations des six BAP à l’état frais (l’étalement, la boite en et la stabilité au tamis) et à l’état durci, une caractérisation classique des mélanges (résistances mécaniques : à la compression et à la traction par flexion) ont été réalisés.

2. Matériaux et protocole expérimental:

2.1. Matériaux utilisés :

Le comportement du béton est le résultat d’une interaction complexe entre ces divers constituants. Pour la confection de nos six échantillons de BAP nous avons utilisé des matériaux de notre région de Constantine qui sont:

 Ciment : le ciment utilisé est un CPJ 42.5 provenant de la cimenterie Hamma Bouziane présentant une résistance moyenne à 28 jours de 44 MPa et une surface spécifique de 3891cm²/g.

 Granulats : Les granulats utilisés sont des granulats concassés, la granulométrie utilisée est comprise entre (0/16), un sable (0/4) et deux gravier (4/8) et (8/16) de la carrière Hedna de Ain Smara.

 Additions : Nous avons introduit trois fillers calcaires UF5, UF10, F20 de la carrière ENG El- Khroub. Ces fillers sont caractérisés par une teneur en CaCO3 supérieure à 98%, une masse volumique réelle de 2600 Kg/m³ et une surface spécifique de Blaine de 3460 cm² /g.

 Adjuvants : Nous avons utilisé un superplastifiant « MEDAPLAST SP40 ».

 Eau : L’eau utilisée dans notre étude est l’eau de robinet du laboratoire LMDC.

2.2. Formulation des BAP :

Nos bétons ont été formulés selon l’approche japonaise, grâce à sa simplicité. Ce qui nous a permis de composer six échantillons de BAP, qui sont présentés au niveau du Tableau 1.

Tableau 1. Désignation des différents bétons testés.

Notation Désignations

1BAP5 BAP avec (Fillers/Liant=10%) et un filler calcaire UF5 2BAP5 BAP avec (Fillers/Liant =20%) et un filler calcaire UF5 1BAP10 BAP avec (Fillers/Liant =10%) et un filler calcaire UF10 2BAP10 BAP avec (Fillers/Liant =20%) et un filler calcaire UF10 1BAP20 BAP avec (Fillers/Liant =10%) et un filler calcaire F20 2BAP20 BAP avec (Fillers/Liant =20%) et un filler calcaire F20

Afin d’évaluer l’apport de chacun des paramètres de composition (Finesse de Filler calcaire et Rapport Filler/Liant) sur le comportement des BAP, nous avons considéré comme constant le squelette granulaire, le liant (Filler+Ciment=600 kg/m3) et le volume de pate environ 42%. Toutes les compositions étudiées sont présentées dans le tableau 2.

Tableau 2. Composition d’un mètre cube des mélanges.

Ciment (Kg)

Fillers (Kg)

Liant (Kg)

Eau (Kg)

SP (Kg)

Sable (Kg)

Gravier 1 (Kg)

Gravier 2 (Kg)

Volume de Pâte (%)

1BAP5 540 60 600 226 10.8 762 368 368 43.22

2BAP5 480 120 600 216 10.2 726 368 368 42.55

1BAP10 540 60 600 222 10.8 762 368 368 42.82

2BAP10 480 120 600 215 10.2 762 368 368 42.45

1BAP20 540 60 600 214 10.8 762 368 368 42.02

2BAP20 480 120 600 211 10.2 762 368 368 42.05

Plots métalliques

2.3. Essai de caractérisation des BAP à l’état frais:

Les contrôles réalisés sur le béton à l'état frais constituent les premières vérifications possibles de la conformité d'un béton et permettent, à la livraison de ce dernier, de pouvoir détecter d'éventuelles variations susceptibles de nuire à la mise en œuvre. Et donc à la bonne tenue des ouvrages dans le temps. Les six échantillons considérés ont été caractérisé à l’état frais par les essais recommandés par l’Association française de génie Civil [AFGC 2000], à savoir : l’essai d’étalement, l’essai de la boite en L et l’essai de stabilité au tamis (Figure 1).

Figure 1. Essai de caractérisation des BAP à l’état frais.

2.4. Essai de caractérisation des BAP à l’état durci:

Nous nous sommes intéressés à la caractérisation à l’état durci aux échéances de 7 et 28 jours. Nous avons effectué des essais de la résistance en compression sur des éprouvettes cylindriques (16x32) cm² et l’essai de traction par flexion sur éprouvettes prismatiques (7x7x28) cm³, sous des conditions de conservation de température T=20 ±2°c et humidité relative, HR=95 ±5% jusqu’à l’âge d’écrasement. La Figure 2 montre l’essai de compression sur presse « CONTROLS » ainsi que le dispositif de flexion par trois points.

Figure 2. Presse « CONTROLS » et le dispositif de l’essai de traction par flexion.

2.5. Mesure de retrait :

Des essais de retrait libre conformément à la norme NF P 15-433 ont été effectués sur des éprouvettes prismatiques (7x7x28) cm³. Les éprouvettes ont été coulées dans des moules prismatiques (7x7x28) cm³ à trois alvéoles munies de plots métalliques qui sont vissés au moule au moment de la mise en place du béton, puis désolidarisé du moule avant le démoulage. Après durcissement, les éprouvettes sont donc munies à leurs deux extrémités de plots comme indiqué sur la Figure 3, qui serviront à les positionner sur l’appareil de mesure de retrait.

Figure 3. Moule et éprouvettes prismatiques munis de plots.

L’appareil de mesure de retrait utilisée dans nos essais est un rétractomètre muni d’un comparateur digital (Figure 4) mesurant les déformations suivant l’axe longitudinal des éprouvettes.

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Figure 4. Appareil de mesure de retrait « Rétractomètre ».

Compte tenu de l’influence considérable de l'humidité relative sur la cinétique de la variation dimensionnelle, nous avons intégré ce paramètre dans notre étude.

Les échantillons ont été conservés dans une chambre de (HR=50±5 %, T=20±2°) et soumis à différentes humidités imposées tout au long de la durée des essais :

 HR=50±5% : Eprouvettes séchant à l’air libre pour mesurer le retrait total,

 HR=80±5% : Eprouvettes couvertes par un papier film adhésif pour mesurer le retrait endogène,

 Immergé dans l’eau : Eprouvettes conservées dans l'eau pour mesurer le gonflement.

Les mesures de retrait et de gonflement sont lancées sur des prismes âgés au moins un jour, au départ elles sont réalisées à des termes très courts, la fréquence de mesure augmentant après avec le temps. Les déformations de retrait (gonflement) ont été suivies sur une période de 90 jours.

3. Résultats et discutions:

3.1. Caractéristiques des BAP à l’état frais :

D’après les réponses des tests de caractérisation réalisés sur les bétons confectionnés présentées sur le tableau 3, nous avons remarqué que les trois conditions de l’association Française de génie civil (AFGC) à l’état frais de tous les bétons étudiés sont respectées : des étalements supérieurs à 65 cm, des rapports à la boite en L supérieurs à 0.8, des stabilités satisfaisantes (2%≤ Π laitance ≤15%). Ces résultats montrent que nos échantillons représentent un béton autoplaçant.

Tableau 3. Caractérisation des BAP à l’état frais Etalement

(cm)

Boite en L (%)

Stabilité au tamis (%)

1BAP5 70.00 89 11

1BAP10 68.50 80 8.6

1BAP20 69.50 85 8

2BAP5 69.00 83 9.06

2BAP10 67.00 77 9.45

2BAP20 69.00 85 10.03

3.2. Caractéristiques des BAP à l’état durci :

Les résultats des essais de caractérisation à l’état durci sont illustrés sur la Figure 5 et la Figure 6 ci-dessous.

Figure 5. Evolution de la résistance à la compression des différents BAP à 7 et 28 jours.

En analysant les courbes de la Figure 5, on peut constater que :

 Les résistances de tous les bétons augmentent régulièrement avec l’âge et ne présentent aucune chute,

 Les six bétons étudiés atteignent plus de 68% de la résistance à la compression à l’âge de 7 jours, et cela dû à l’effet accélérateur du filler calcaire.

 Les bétons avec un rapport (F/L=10%) présente des résistances plus élevé par rapport aux bétons avec (F/L=20%) et cela est dû à la quantité du ciment,

 Le béton 1BAP5 avec un rapport (F/L= 10%) (quantité importante du ciment) et un filler UF5 (filler plus fin) est nettement plus résistant que tous les autres bétons pour toutes les échéances.

 A 7 et 28 jours, les bétons confectionnés à base de filler calcaire UF5 ont donnés des résistances à la compression plus élevées par rapport aux autre fillers calcaires (UF10 et F20). Donc Plus la finesse de filler calcaire est grande, plus ces résistances mécaniques sont grandes.

Figure 6. Evolution de la résistance à la traction par flexion des différents BAP à 7 et 28 jours.

Nous pouvons faire les remarques suivantes :

 La résistance à la traction par flexion augmente avec l'âge des éprouvettes.

 Le béton qui a donné la plus grande résistance à la traction par flexion est le 1BAP5 (BAP avec F/L=

10% et UF5), grâce à l’emploi d’une quantité importante du ciment et le filler le plus fin.

 Les bétons confectionnés avec un rapport (F/L=10%) ont des résistances plus importantes par rapport aux bétons avec (F/L=20%) et cela est dû à la quantité importante du ciment,

3.3. Etude paramétrique du retrait:

3.4.1. Influence du mode de conservation : Les Figures 7 et 8 illustrent les variations dimensionnelles de 1BAP5 et 2BAP5 respectivement en fonction du mode de conservation.

Nous remarquons que les éprouvettes ayant subi une conservation en mode ambiant exhibent un retrait supérieur que les deux autres modes de conservation : couvert et dessiccation, exception pour le mode saturé, nous avons remarqué un gonflement. Donc le mode de conservation influe d’une manière significative sur l’évolution de déformation du béton, plus le milieu est humide plus le retrait est de plus en plus faible.

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3.4.2. Influence de la teneur en filler calcaire : Les figures suivantes montrent l’évolution du retrait total, endogène, dessiccation et gonflement pour les bétons autoplaçants testés en fonction du rapport (filler/ciment+fillers).

A la suite des résultats de cette étude paramétrique qui montre l’effet du taux de substitution de ciment par 10%

et 20% de filler calcaire, nous constatons :

A l’air libre (retrait total) et en mode couvert (retrait endogène), les fillers ont un effet positif. Les BAP contenant plus de fillers calcaire (20%) présentent moins de retrait. L‘incorporation des fillers calcaires dans les BAP

Figure 9. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait total de BAP avec UF5.

Figure 10. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait total de BAP avec F20.

Figure 11. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait endogéne de BAP avec UF10.

Figure 12. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait endogéne de BAP avec UF5.

Figure 13. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait de dessiccation de BAP avec UF5.

Figure 14. Influence du taux de filler calcaire sur le retrait de dessiccation de BAP avec UF10.

Figure 15. Influence du taux de filler calcaire sur le gonflement de BAP avec UF5.

Figure 16. Influence du taux de filler calcaire sur le gonflement de BAP avec UF10.

contribue à la réduction de la chaleur d’hydratation et par conséquent à la diminution le retrait endogène et en conséquence la diminution du retrait total et de dessiccation.

Mais le phénomène physique est l’inverse pour le gonflement, les BAP formulés avec (F/L=20%) présentent des gonflements supérieurs aux celles avec (F/L=10%) et cela due à l’absorption de l’eau par la quantité importante des fines.

3.4.3. Influence de la finesse de filler calcaire : Les figures suivante présentent l’effet de la finesse du filler calcaire (UF5, UF10, F20) sur les trois types de retrait (total, endogène, dessiccation) et le gonflement pour les différents BAP formulés.

Nous remarquons que le filler fin est celui qui présente la variation dimensionnelle la plus élevée quel que soit le monde de conservation (Ambiant ou couvert)

.

3.4.4. Corrélation perte en masse-retrait "mode ambiant":

La première observation inscrite à partir de la représentation du retrait en fonction de la variation de la perte en masse en mode de dessiccation, c’est l’accroissement du retrait de tous les bétons d’étude en fonction de la variation de la masse. Néanmoins, on examine en premier lieu une perte d'eau élevée qui n'a quasiment aucun effet sur le retrait. Au début de retrait, c’est l’eau libre dans les grands pores capillaire qui débute à s’enfuir. Cette perte d’eau affronte partiellement un petit retrait. Ensuite le retrait est immédiatement relatif à la perte de masse comme (Figure 21).

4. Conclusion:

Au cours de cette étude, six bétons ont été confectionnés, Afin de limiter les divergences nous avons fixé le maximum de paramètres : « la masse de liant (Liant=ciment+fillers = 600 Kg/m³), le volume de pâte (42%) et le squelette granulaire », ainsi nous avons mis en évidence l'influence de la finesse du filler calcaire et le taux de substitution de ciment par filler calcaire. Les quantités d’eau et de superplastifiant sont légèrement ajustées en vue de l’obtention de l’étalement souhaité. L’ensemble des essais effectués a permis de tirer les conclusions suivantes :

La confection des BAP à base de matériaux locaux disponibles en Algérie respectent les critères imposés par

« AFGC » et sont susceptibles à ce titre d’être des bétons réalistes au point de vue industrie. L'ordre de grandeur des résistances obtenues nous laisse dans la gamme des résistances usuelles des bétons autoplaçants (Résistance

Figure 17. Influence de la finesse de filler calcaire sur le

retrait total de BAP avec F/L=10%. Figure 18. Influence de la finesse de filler calcaire sur le retrait endogéne de BAP avec F/L=10%.

Figure 19. Influence de la finesse de filler calcaire sur le retrait de dessiccation de BAP avec F/L=20%.

Figure 20. Influence de la finesse de filler calcaire sur le gonflement de BAP avec F/L=20%.

Figure 21. Retrait en fonction de la perte de masse en mode des six bétons en mode dessiccation. .

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assez faible en comparant avec la quantité de ciment utilisée est du a l'utilisation d'un sable légèrement argileux (Equivalent de sable Es= 59% ) .

L'introduction des fillers calcaires dans la composition d'un BAP engendre des modifications significatives sur les propriétés à l’état frais et durcis [ASS 2003]. A l’état frais les fillers calcaires modifient la structure du squelette granulaire en améliorant la capacité d’empilement des particules fines c’est l’effet granulaire. A l’état durci ils présentent un caractère liant supplémentaire car le calcaire n’est pas strictement inerte du point de vue chimique, en présence d’un liant hydraulique, il conduit à la formation d’hydrates.

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Aussi ils aident à la réduction de la chaleur d’hydratation, et en conséquence la diminution du retrait endogène, et aussi induisant une augmentation de la compacité et par conséquent une baisse du transfert d’humidité et du retrait de séchage, par contre le gonflement dans le milieu immergé devient plus grand [DIE 2010].

Cette étude nous permet de conclure que même si le volume de pâte est le même dans tous les bétons, les caractéristiques mécaniques instantanées et différées changent avec la finesse et le taux de filler calcaire.

5. Bibliographie

[AFGC 2002] AFGC, Recommandations de l’association française de génie civil : Bétons Autoplaçants, projet national, juin 2000.

[ASS 2003] S. Assie & G. Escadeillas & G. Marchese, « Durability of Self-Compacting», Proceedings de Concrete 3rd international symposium on Self-Compacting Concrete, Reykjavik, Iceland 2003

[BEN 2005] Benboudjema F., Meftah F., Torrenti JM. «Interaction between drying, shrinkage, creep and cracking phenomena in concrete » Eng Struct; 27(2):239–50. 2005.

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[BOU 2007] Bouasker M., Etude numérique et expérimentale du retrait endogène au très jeune âge des pâtes de ciment avec et sans inclusions, Thèse de Doctorat, Université de Nantes, 2007.

[BOUH 2009] Bouhamou, N., Influence des rapports eau/ciment et fines/ciment sur le comportement à l’état durci du béton autoplaçant à base de matériaux locaux algériens, Presses scientifiques du CNRC, Rev. can. Génie civ.

vol. 36,2009, pp. 1195–1206.

[CHAB 2000] Chabane A., and Houari H. Contribution à l’étude du comportement différé des bétons sous sollicitation de flexion. Thèse de magister de l'Université de Constantine. 2000.

[DIE 2010] Diederich, P., Contribution à l’étude de l’influence des propriétés des fillers calcaires sur le comportement autoplaçant du béton, Thèse de doctorat, l'Université Toulouse III - Paul Sabatier, 2010.

[ELH 2009] El Hilali, A., Etude expérimental de la rhéologie et du comportement des BAP : influence des fillers calcaires et les fibres végétales, Thèse de doctorat, l'Université de Cergy-Pontoise, 2009.

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[PROU 2000] Pons. G & Proust. E & Munoz. P, Etude du comportement différé des Bétons Autoplaçants, Rapport de recherche pour la FNTP, 2000

[TUR 2004] Turcry P., Retrait et fissuration des bétons autoplaçants – Influence de la formulation, Thèse de Doctorat, Ecole Centrale de Nantes et Université de Nantes, 2004.

[ZHU 2005] Zhu W, Gibbs J.C. , «Use of different limestone and chalk powders in self compacting concrete», Cement Concrete and Research 35, 2005, pp. 1457-1462.

NB: Nombre de page limité, nous n' avons pas pu présenter touts les graphes des six bétons étudiés.