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BETON AUTOPLACANT Spécificités Formulation Performances. Le béton : un matériau…. …très utilisé et peu coûteux. …peu polluant et peu consommateur d’énergie lors de sa production. I- Spécificités. I- Spécificités. I-1 Définition - remarques implicites - PowerPoint PPT Presentation
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BETON AUTOPLACANT
Spécificités
Formulation
Performances
Le béton : un matériau…
…très utilisé et peu coûteux
…peu polluant et peu consommateur d’énergie lors de sa production
I- Spécificités
I- SpécificitésI-1 Définition - remarques implicitesBAP = béton très fluide qui se met en place par gravité sans apport extérieur ou intérieur de vibration
≠ béton traditionnel à l’état frais (fluidité)
= béton traditionnel à l’état durci (performance mécanique, durabilité)Béton vibréBAP
≠
Obtenir la Fluidité peut se faire au détriment de l’homogénéité ségrégation !
Fluidité
Homogénéité Ségrégation
Principes de formulation à définir !
I-2 Avantages
Lorsque la composition allie fluidité et homogénéité :
• Elimination de la vibrationRéduction des nuisances sonores (confort environnemental, impact sanitaire, amélioration des conditions de sécurité sur sites de production, augmentation de la durée de vie des moules en préfabrication)
• Opérations de coulage possibles en conditions défavorablesDensité de ferraillage élevée, formes architecturales complexes
BAP Béton traditionnel(affaissement 14cm)
I- Spécificités
• Amélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciersEn évitant les nids de cailloux liés à une mauvaise vibration, Élimination du ragréage
Gain de productivité
Avantages (suite)
Et pourtant … le BAP n’est pas encore banalisé en France, du fait de son émergence récente :•augmentation du coût des matières premières (additions minérales, adjuvants),• modification des outils de fabrication.
I- Spécificités
I-3 Un peu d’histoire : le BAP est en effet nouveau dans la famille des bétons
Japon, début des années 80, deux aspects contradictoires dans le contexte de l’activité BTP :• spécificité accrue des constructions (niveau de qualité architecturale de plus en plus élevé),• baisse du nombre d’ouvriers qualifiés
Afin d’éviter l’altération de la qualité des structures (performances mécaniques, durabilité, finition), l’ insatisfaction de la part du maître d’ouvrage, du maître d’oeuvre, ainsi que, plus généralement, des entreprises BTP qui voyaient leurs marges diminuer, le concept BAP voyait le jour
Diminuer la fréquence de collision et de contact entre les granulats en les écartant les uns des autres.
• limiter le volume de gros granulats,• décroître le rapport eau sur liant,• utiliser un superplastifiant.
I- Spécificités
Pont suspendu Akashi-Kaikyo ouvert en 1998 (Japon)4 km de long
Un peu d’histoire (suite)
Béton traditionnel vibré
BAP
Constituants : ≥4 ≥6
Formulation différente entre
BAP et béton vibré
Sur ce principe, des études ont vu le jour à travers le monde dès le milieu des années 90, visant à caractériser des formules BAP aux états frais et durci et à montrer que le concept BAP présente des qualités au moins aussi bonnes que le béton traditionnel de résistance équivalente. Il en est ressorti des recommandations :Japon• “Recommendation for Construction of Self-Compacting Concrete”, Japanese Society of Civil Engineering, 1998
I- Spécificités
Un peu d’histoire (suite)
Europe• Report 23, State-of-the art report of RILEM Technical Committee 174-SCC, Self-Compacting Concrete, RILEM, 2000•“Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete”, EFNARC, November, 2001
Etats Unis•“Interim Guidelines for the Use of Self-Compacting Concrete in PCI Member Plants”, Precast/Prestress Concrete Institute (PCI), 2003. (document unique publié en attendant celui du comité ACI 237 Self-consolidating concrete établi en 2003).
En France• « Bétons auto-plaçants, recommandations provisoires », Documents scientifiques et techniques de l’Association Française de Génie Civil, juillet 2000.
(transcription des recommandations européennes)
• Un projet national (PN B@P) a démarré en 2000 avec l’objectif de transposer les données disponibles à l'échelon national tout en prenant en compte les spécificités hexagonales. Les recommandations, issues des études effectuées, doivent apparaître en 2007 au travers d’un recueil et ensuite dans des amendements aux normes en vigueur (EN 206-1 notamment).
Ces recommandations doivent permettre d’accentuer la banalisation du BAP en France puisque c’était leur absence qui provoquait la réticence des donneurs d’ordre.
I- Spécificités
Principaux résultats obtenus au LMDC dans le cadre du PN B@P
II- principe de formulation – vérification de l’autoplaçabilité à l’état frais
III- Performances à l’état durci
II- Formulation
II-1 GénéralitésCahier des charges
1ère composition
Essais
Composition finale
Expérience théorie
Correction composition
• Environnement de l’ouvrage au cours deson fonctionnement, • Caractéristiques géométriques de l’ouvrage, • Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci, • Conditions de fabrication et de mise en œuvre du béton frais, • Matériaux à disposition localement.
Au minimum, vérification de :• l’aptitude à l’écoulement (ouvrabilité, rhéologie),• la résistance en compression à échéance clé
•Obtenir une rhéologie permettant une mise en oeuvre adaptée aux moyens envisagés. La quantité de pâte, à qualité donnée, conditionne l’ouvrabilité
•Obtenir une résistance mécanique répondant aux fonctions principales du matériau dans l’ouvrage. La qualité de la pâte (rapport E/C) conditionne la résistance puisque la pâte apporte la cohésion à l’ensemble.
• Limiter les effets secondaires indésirables à moindre coût. Toutes choses égales par ailleurs, toutes les propriétés sont améliorées lorsque le squelette granulaire est de compacité maximale
II- Formulation
II-1-1 Environnement des ouvrages (EN 206-1, §4)
Pour les valeurs limites de concentration chimique à respecter en classe XA, se reporter au § 4-1, tableau 2 de la norme.
Dosages minimaux en ciment (annexe F)• ciment de type CEM I (EN 197-1), granulats dont la dimension maximale nominale maximale est comprise entre 20 mm et 32 mm.
• Tous types de ciment et granulats de dimension maximale nominale de 20 mm (application en France seulement)
La quantité de liant équivalent à ajouter (+) ou à déduire (–) en pourcentage de la valeur indiquée, en fonction de la dimension nominale supérieure du plus gros granulat, exprimée en mm est D ≤ 12,5 : + 10 % ; D = 14 : + 7,5 % ; D 16 : + 5 % ; D = 22,4 : – 2,5 % ; D = 25 : – 5 % ; D ≥ 31,5 : – 10 %.
X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3
Eeff/liant éq maximal - 0,65 0,65 0,60 0,60 0,55 0,55 0,50 0,60 0,55 0,50 0,60 0,55 0,55 0,45 0,55 0,50 0,45
Teneur mini en liant éq. kg/m3 150 260 260 280 280 330 330 350 280 330 350 280 300 315 340 330 350 385
A/A+C maxiAddition calcaire
0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,05 0,05 0,05 0,25 0,05 0,05 0,25 0,25 0,25 0,05 0,00 0,00 0,00
300 kg/m3 dans le cas du béton précontraint en conditions XC1 et XF1Rapport Eeff/liant éq à réduire de 0,05 à 0,1 pour les bétons préfabriqués en usine
Généralités – cahier des charges
Cinq classes d’exposition
II- Formulation
Rappel : liant équivalent
Liant équivalent (Liant éq.) = assemblage d’un ciment de clinker pur CEM I et d’une addition minérale plus ou moins active.
Il est défini en terme d’équivalence vis-à-vis des résistances mécaniques.
Si A est la quantité d’addition exprimée en kg/m3 et k le coefficient d’équivalence alors, le produit kA sera équivalent à une quantité C’ de ciment CEM I :
Liant éq. = C + kA ou Liant éq. = C+C’
EN 206-1, § 5.2.5.2, extrait tableau NA.3 pour application en France
Les quantités d’additions dépassant les valeurs admissibles ne sont pas prises en compte dans le calcul du Liant éq.
Rappel : eau efficace Eeff
EN 206-1 (§ 3.1.30) : différence entre la quantité d'eau totale contenue dans le béton frais et la quantité d'eau absorbable par les granulats
(EN 206-1, § 3.1.29, teneur en eau totale = l'eau d'apport plus l'eau déjà contenue dans et à la surface des granulats plus l'eau des adjuvants et des additions utilisée sous la forme de suspension et toute eau résultant de l'ajout de glace ou de chauffage à la vapeur).
Eeff = Ea + G (wg – Abg) + S (ws –Abs ) + A′ (wA – AbA) + awa Humidité supplémentaireà l’absorption
II- FormulationII-1-2 Caractèristiques géométriques des ouvrages et Dmax
Généralités – cahier des charges
II-1-3 Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci
• Résistance à la compression : un paramètre fondamental…La résistance caractéristique à 28 jours f ck-cyl (MPa) est définie pour le dimensionnement des ouvrages. Plusieurs classes de résistances (8 MPa à 100 MPa) sont définies ( EN 206-1, §4.3.1). Les contrôles s’effectuent sur cylindre d’élancement 2 ou sur cube f ck-cube selon les pays européens. …mais insuffisant pour le BAP dont la spécificité est à l’état frais !
• Autoplaçabilité : plusieurs facettes à vérifier (fluidité, capacités de passage et de remplissage, résistance à la ségrégation)
Mais aussi, selon prescription :• Tenue au feu, variations dimensionnelles et fissurabilité, durabilité (altération endogène, gel/dégel, résistance aux agressions chimiques)
II- FormulationGénéralités – cahier des charges
II-1-4 Caractères liés aux moyens de mise en œuvre du béton La formulation d’un béton ne peut se concevoir sans connaître les conditions de mise en œuvre, les modes de transport et l’énergie de serrage ou de compactage. Suivant les cas, les bétons seront compactés, vibrés, pompés, coulés, projetés ou simplement mis en oeuvre par gravité dans le cas des BAP.
EN 206-1, §4-2 classes de consistance pour les bétons plastiques et fluides, adaptées aux moyens de mesure : classe d’affaissement (S), classes Vébé (V), classes de serrage (C) et classes d’étalement (F).D’autres classes pourront être définies à l’avenir pour des bétons très spécifiques : bétons très fermes ou BAP.
Pour l’instant, le projet National B@P a défini 3 catégories de BAP à partir d’un index d’écoulement I, défini comme le plus petit espace libre entre armaturesque le béton aura à traverser.
333I < 80
22280 ≤ I < 100
221I ≥ 100
Epaisseur>300mmEpaisseur≤300mm
Coulage verticalCoulage horizontal
II-1-5 Ressources locales
Il n’existe pas une grande variété de ciments, d’additions minérales et de granulats disponibles en un lieu donné. Aussi, à quelques rares exceptions près, la formulation du béton devra tenir compte des ressources locales et des prix.
II- FormulationII-2 Principes de formulation des BAP
Caractéristiquesconstituants
Proportionsconstituants
Propriétés du béton
II-2-1 Caractérisation des constituants
Granulats (XP P 18-540 puis XP P 18-545)• Nature, qualité• courbe granulaire, Dmax• Masse volumique,• Compacité• Absorption• Teneurs en alcalins et chlorures
T a b l e v i b r a n t e
PS
S
HM
C
2
4
II- FormulationFormulation – caractéristiques constituants
Ciment (NF EN 197-1)• Nature• Masse volumique,• Résistance en compression (jeune âge, 28j)• Dégagement de chaleur• Teneurs en alcalins et chlorures
Additions minérales (filler calcaire NF P 18-508)• Nature• Masse volumique,• indice d’activité (jeune âge, 28j)• Dégagement de chaleur• Teneurs en alcalins et chlorures
Adjuvants (superplastifiant et éventuellement agent de viscosité) (EN 934-2)• Nature, effets principaux• Masse volumique,• extrait sec• effets secondaires• Teneurs en alcalins et chlorures
Eau (NF EN 1008)• Teneurs en alcalins et chlorures• Matières en suspension
Ajouts • Nature (fibres …)• Masse volumique• effets secondaires (rhéologie) •Teneurs en alcalins et chlorures
C h a r g e s a n i o n i q u e s
II-2-2 Propriétés du béton II- Formulation
Fluidité et homogénéité évaluées selon trois critères :• la capacité de remplissage,• la résistance à la ségrégation,• la capacité de passage.
En laboratoire (essai d’étude) ou sur site (essai de convenance ou de contrôle), ces critères sont mesurésà travers des dispositifs d’essai
XColonne LMDC
XXEntonnoir
XXJ-Ring
XStabilité au tamis
XXXBoite en L
XXXCône d’Abrams
Capacité de passage
Résistance à la
Ségrégation
Vitesse de déformation
Capacité de remplissage
Type d’essai
} AFGC
Formulation – propriétés du béton II- Formulation
Essai d’étalementEssai d’étalement
Cône DINCône DIN
Main écopeMain écope
Plateau inox avec niveau à Plateau inox avec niveau à bulles et pieds réglablesbulles et pieds réglables
Cône AbramsCône Abrams
Diamètre final
50 cm
Cône
d’AbramsGalette de Béton Mesure du tempsde passage
AFGC : 60 cm ≤ diamètre final ≤ 75 cm
≥ 60 cm≥ 60 cm≥ 50 cmDiamètre minimum
Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 110mm ≤Dmax ≤20mm
T50 max de 7s à 12s pour les plus faibles vitesses de déformation
Observation de la galette d’étalement
Homogène
Ségrégation !
II- Formulation
Formulation – propriétés du béton II- Formulation
Essai de la boîte en LEssai de la boîte en L
60 c
m
15 c
m
H2
H1
Ferraillage 3 14Espace libre, 39 mm entre les barres
AFGC : H2/H1 ≥ 80%
0,80 avec 3 barres0,80 avec 2 barresPas de prescriptionH2/H1 mini
Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 1
La vitesse de l’écoulement peut être évaluée en mesurant le temps de passage du béton à 20 cm et à 40 cm de la paroi verticale, respectivement notés T20 et T40. Des valeurs inférieures à 1,5 secondes pour T20 et inférieures à 3,5 secondes pour T40 sont recommandées afin de rester dans un domaine autoplaçant.
Observation de l’essai après arrêt de l’écoulementII- Formulation
Phénomènes de blocage !
Passage sans blocage
II- Formulation
Essai de stabilité au tamisEssai de stabilité au tamis
Tamis 5 mm
Passant (masse mm )
Refus
MM = 4,8 kg 0,2 kg
= mM . 100
50 cm
AFGC : la stabilité est :- satisfaisante si 0% 15%- critique si 15% < 30%- très mauvaise si > 30%
< 15%< 15%< 15%Stabilité admissible
Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 1
La valeur limite autorisée au tamis ne peut en aucun cas être supérieure à 30 %, elle peut être supérieure à 15 % si l'on dispose de mesures probantes de non ségrégation pour des applications similaires.
Formulation – propriétés du béton
Autres essaisAutres essais II- Formulation
Trappe Trappe amovibleamovible
Remplissage
Entonnoir (V-funnel)J-Ring
Temps d’écoulement généralement compris entre 5 et 12s
Evaluer la perte d’étalement (perte de remplissage) en présence d’armatures. Cette perte ne doit pas dépasser 5cm pour un BAP.
Colonne LMDC
Caractérisation de la ségrégation statique par tamisage des fractions > 2,5 mm dans chacun des tiroirs
•7 tiroirs empilés, formant une colonne de 70 cm de hauteur.•La colonne peut donc être remplie de 15,75 litres de béton.• Les tiroirs sont numérotés depuis 7 (tiroir supérieur)jusqu’à 1 (tiroir inférieur).
Des tôles métalliques coulissantesassurent la séparation des tiroirs
Formulation – propriétés du béton
II-2-3 Proportions des constituants
Homogénéité Ségrégation
Méthodologie
Fluidité
400-700(500)
0.1-40.5-1.50.3-0.40.18-0.250.8-1.20.55-0.450.45-0.55f (kg/m3)AV/f (%)SP/f (%)Eeff/ff/solideg/ss/Gg/G
30000-0.30.450.151.50.40.6f (kg/m3)AV/f (%)SP/f (%)Eeff/ff/solideg/ss/Gg/G
BAP
BV
g = masse gravillons s = masse sableG = g+s f = ciment + addition minéralesolide = G+f Eeff = eau efficaceSP, AV = masses superplastifiant, agent de viscosité
II- Formulation
g/G (ou s/G), définissant le squelette granulaire, et f/solide fixent l’empilement granulaire et la séparation inter-particule
Influence sur l’écoulement du matériau
II-3 Méthodologie de formulation II- Formulation
II-3-1 Principe de base
BAP = pâte de ciment + squelette granulaire
0/4 R 4/8 C
Ciment + addition + eau + superplastifiant (+ agent viscosité) Sable + gravillon + eau
Fluidité et homogénéité !Critères rhéologiques
g / s
demande en eaucompacité
II-3-2 Première étape : Caractéristiques rhéologiques de la pâte II- Formulation
Notions de rhéologie
Rhéologie = étude de la déformation des matériaux (cas des solides) ou de leur écoulement (cas des liquides) sous l’effet d’une contrainte.
Pâte : un solide ou un liquide? comportement rhéologique
0
Comportements linéaires Comportements non linéaires
dydv
II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie
Deux grandeurs rhéologiques :
- Seuil de cisaillement [Pa]Contrainte minimale de cisaillement à atteindre pour que le matériau s’écoule
t
Seuil
• Seuil statique
• Seuil dynamique
Extrapolation de la courbe d’écoulement à un gradient de vitesse de cisaillement nul
II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie
- ViscositéMesure des frictions internes d'un fluide lors de son écoulement. Pour déplacer une couche d'un fluide par rapport à l'autre on doit appliquer une certaine force. Cette force augmente avec la viscosité du fluide.
F l u i d e N e w t o n i e n
F l u i d e d e B i n g h a m
0
1
1
B
B 0
H e r s c h e l - B u l k l e y
0
nk 0( n > 1 )
! cas non linéaire, est une fonction de !
Viscosité apparente [Pa.s]
gradient de vitesse = taux de variation de vitesse en fonction d'une distance. C’est le rapport Vt/b s’il est constant (cas linéaire), sinon il est préférable d'utiliser l’expression différentielle s’il n’est pas constant (cas non linéaire).
Rôle des adjuvants - généralitésII- Formulation
Type polycarboxylate avec chaîne POE
Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie
II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie
Effet des adjuvants sur les propriétés rhéologiques (exploitation modèles plan de mélange)
Seuil de cisaillement [Pa] Viscosité apparente à 18s-1 [Pa.s]
19 mm
38 mm
57 mmEtalement [cm]
II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie
Influence hierarchique des constituants sur les propriétés d’écoulement
Plan de mélange analyse statistiqueSeuil d’écoulement
SP (70%) AV (60%) C (45%) E (40%) F (20%)
Etalement
SP (60%) E (50%) C (45%) AV (30%) F (15%)
Viscosité apparente 4 s-1
C (60%) SP (40%) E (25%) AV (20%) F (15%)
Viscosité apparente 18 s-1
C (60%) E (40%) F (30%) SP (25%) et AV (25%)
C: ciment, F: filler calcaire, SP: superplastifiant, AV: agent de viscosité, E: eau
Valeurs cibles décrivant un écoulement fluide et homogène
Entre 1 et 3≥16≤ 10C+F+E+SP
Entre 3 et 6Entre 1 et 3≥16≤ 10 C+F+E+SP+AV
Viscosité à 18s-1 [Pa.s]
Viscosité à 4s-1 [Pa.s]Etalement [cm]Seuil [Pa]
Résultats non généralisables quels que soient les constituants
Nécessité de travailler toujours avec le même laboratoire
II-3-3 Deuxième étape : Caractéristiques du squelette granulaire II- Formulation
Granulométrie
0
20
40
60
80
100
120
0,01 0,1 1 10 100
Ouverture du tamis (mm)Pa
ssan
ts c
umul
és (%
)
0/3 C
0/4 R
4/8 C
4/12,5 R
Masse volumique absolue
Absorption
Pour chaque fraction (sable, gravillon), connaître :
Confection du squelette granulaire à partir d’un rapport g/s Fraction < 80µm Définition de classes i (proportions volumiques y i ) Compacité maximale
Modèle d’empilement compressiblePrise en compte de l’énergie de serrage à travers un indice de serrage KPrise en compte des interactions entre grains
Caractéristiques du squelette granulaire II- Formulation
T a b l e v i b r a n t e
PDétermination des compacités expérimentales:
- du squelette, C,- de chaque classe i, Ci
S2
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