La rhéologie du béton à l'état frais peut avoir une … · Trois types de malaxeurs : 4 -...

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La rhéologie du béton à l'état frais peut avoir une grande importance sur son comportement à l'état durci :

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comportement à l'état durci :

- la rhéologie influence le temps de stabilisation de la puissance consommée lorsdu malaxage et donc, pour un temps fixé de malaxage, la qualité du béton ;

- la rhéologie conditionne la qualité de mise en œuvre et donc la quantité d'airrésiduelle dans le béton en place, donc sa résistance ;

- le ressuage peut avoir des conséquences sur la résistance mécanique, sur lecomportement structurel et sur la qualité des parements.

Trois types de malaxeurs :

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- annulaire à axe vertical et pales fixes (en haut à gauche). Malaxeur le pluscourant,

- malaxeur à axe vertical équipé de deux tourbillons (en haut à droite),

- malaxeur de type bétonnière (en bas).

Il existe de nombreux types de bétons :

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- secs ou fluides

- avec ou sans adjuvant

- avec peu ou beaucoup de pâte

- avec ou sans fibres

- avec ou sans addition minérale

On ne dispose pas de méthode pour optimiser le système de malaxage et l'ordred'introduction des matériaux pour chaque type de béton.

La partie montante correspond au remplissage du malaxeur, la partie descendanteà l'homogénéisationdes partiesgrossières,des fines et des liquides. La partie

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à l'homogénéisationdes partiesgrossières,des fines et des liquides. La partieasymptotique prolongée de la courbe n'est pas encore bien expliquée.

Un temps de stabilisation peut être défini comme le temps pour lequel la dérivéede la courbe, normalisée par sa valeur à l'infini, atteint un seuil de référence.

Dans la pratique des BPE, le temps de malaxage est fixé à 35 s. Ce temps estporté à 55 s en cas d'utilisation d'adjuvant et /ou d'addition (norme P18-305) Pourdes bétons spéciaux (BHP, BFUP..) ces temps peuvent être insuffisants.

M1 et M2 malaxeur à train valseur

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M3 malaxeur annulaire

Pour un béton donné, le temps de stabilisation du wattmètre dépend du type demalaxeur (du volume et du principe de fonctionnement).

Le temps de stabilisation diminue avec le volume du malaxeur.

Les trois malaxeurs classent à peu près de la même façon les bétons vis-à-vis dutempsde stabilisationau wattmètre(le plus court : rang 1). L'influence de la

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tempsde stabilisationau wattmètre(le plus court : rang 1). L'influence de laformulation (ici nous avons différents BHP avec des caractéristiques rhéologiquesvariables, un béton ordinaire et un béton autoplaçant) est donc découplée de celledu malaxeur.

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Avec :

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Ts : temps de stabilisation

Tm : temps de malaxage

Rc : résistance pour un temps de malaxage de 600 s

Le coefficient de variation de la résistance diminue également commeTs/tm

Ces relations en Ts/tm obtenues pour un ensemble de mélanges sur unmême malaxeur [Chopin 2003] sont difficilement généralisables à tous lesmalaxeurs et tous les bétons. Par contre une loi en 1/tm reste valable.

L'étalement des BAP augmente avec le temps de malaxage.

Les phénomènes se déroulant lors du malaxage sont mal cernés. Il est probableque différents mécanismesdoivent concourir avec des temps caractéristiques

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que différents mécanismesdoivent concourir avec des temps caractéristiquesdifférents : homogénéisation "macroscopique"des granulats, des fines puis del'eau par cisaillement acompagné d'un phénomène de mouillage et dedéflocculation localement en tout point du malaxeur ?

Les modèles de prévision du temps de stabilisation restent empiriques. Parexemple on peut utiliser un modèle en dosages absolus de la forme suivante

ts=Ta+aeE+acC+asp SP

Ta=constante dépendant de l'adjuvant

ae<0, ac>0, asp<0

Pour en savoir plus sur le malaxage, lire la référence suivante [Chopin, 2003]dont sont tirés ces transparents.

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La loi de Herschel Bulkey représente mieux le comportement du béton. Pourn'avoir que deux paramètresrhéologiques,on calcule d'abord le seuil de

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n'avoir que deux paramètresrhéologiques,on calcule d'abord le seuil decisaillement avec cette loi, puis on cherche la loi de Bingham lissant au mieux lesdonnées avec cette valeur de seuil.

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Le rhéomètre BML est un rhéomètre à cylindres coaxiaux. Il nécessite environ 17litres debéton. On peutdéduirela loi de comportementrhéologiquedirectement

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litres debéton. On peutdéduirela loi de comportementrhéologiquedirectementpar la connaissance du champ de contraintes.

Le rhéomètre IBB et le 2 point apparatus sont des malaxeurs instrumentés. Ilsnécessitent environ 20 et 10 litres de béton respectivement. Les champs devitesses ne sont pas connus. Des grandeurs rhéologiques apparentes peuvent êtreobtenus par étalonnage.

Ce rhéomètre à laves torrentielles, nécessite environ 500 litres de matériau. C'estun rhéomètreà cylindres coaxiaux. On peut déduire la loi de comportement

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un rhéomètreà cylindres coaxiaux. On peut déduire la loi de comportementrhéologique directement par la connaissance du champ de contraintes.

Essai de référence de par les dimensions de l'échantillon.

Rhéomètre plan-plan. Nécessite 7 litres de béton. La connaissance du champ devitessespermetdefournir directementlesparamètresrhéologiques.

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vitessespermetdefournir directementlesparamètresrhéologiques.

Valeurs des paramètres rhéologiques lors d'une campagne d'essais croisés avec lesdifférentsrhéomètres.

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différentsrhéomètres.

Voir le rapport : [Ferraris et al., 2001]

idem

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La rhéométrie est donc une discipline délicate.

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Seul le BTRHEOM donne des valeurs cohérentes avec les CEMAGREF.Différentes raisons peuvent être évoquées pour les autres appareils :

- zone morte trop importante, et zone de cisaillement trop étroite vis-à-vis dudiamètre maximal du granulat conduisant à de la ségrégation (BML)

- glissement du béton dans la cuve (IBB, 2 points)

- étalonnage des malaxeurs instrumentés non pertinent pour l'ensemble de lagamme des bétons (champ de vitesses variable).

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L'évolution dans le temps de la rhéologie d'un béton peut être un bon moyend'optimiseruneformule en identifiant la sourced'un raidissementen fonction de

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d'optimiseruneformule en identifiant la sourced'un raidissementen fonction dela signature de ce raidissement.

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Un béton peut être considéré comme un squelette solide, composé de tous lesgrainsdu ciment au gravillon, plus ou moins dilué. La concentrationsolide du

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grainsdu ciment au gravillon, plus ou moins dilué. La concentrationsolide dubéton estΦ=1-E/1000 (ou E est la masse d'eau/m3) .

Imaginons que l'on compacte avec une énergie de référence ce squelette, ilatteindrait une valeur maximale de compacité (ou concentration solide)Φ*

Cette compacité peut être calculée à l'aide du Modèle d'EmpilementCompressible (MEC) sur la base des compacités de chaque constituant (ciment,sable, granulats…) et des proportions du mélange.

Pour en savoir plus sur le modèle d'empilement compressible et sur les modèlesrhéologiques voir :

• [Larrard, 2000]

• [Sedran, 1999]

Le formalisme du MEC permet de définir des scalaires K'i traduisant le degré desaturationdu mélangepar la classegranulairei. K'i dépendde l'aptitudeà se

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saturationdu mélangepar la classegranulairei. K'i dépendde l'aptitudeà secompacter de la classe i et de la place laissée libre par les autres classes.

Dans le dessin ci-dessus, le mélange est saturé en gros éléments mais il est encorepossible d'injecter des petits éléments entre les grains.

La viscosité plastique est donc essentiellement contrôlée par la concentrationsoliderelative(termeΦ/Φ∗) dumélange.

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soliderelative(termeΦ/Φ∗) dumélange.

Le terme ai augmente quand le diamètre de la classe i diminue.

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Un plastifiant ou un superplastifiant déflocule les fines, il augmente dons lacompacitédes fines (d'ou une baissedes K'i des fines) et donc du béton

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compacitédes fines (d'ou une baissedes K'i des fines) et donc du béton(augmentation duΦ*)

Un plastifiant ou un superplastifiant lubrifie les fines (d'où baisse des termes aidans l'expression du seuil).

Leur effet est plus marqué sur le seuil que sur la viscosité.

Bras de pompes permettant l'amenée directe dans le coffrage sans l'intermédiaired'unegrue.

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d'unegrue.

BAP = béton auto-plaçant

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Le diamètre des tuyaux doit être adapté à la dimension du plus gros granulats : engénéral 125 mm.

L'entreprise doit choisir une pompe qui a une puissance suffisante (donnée par leconstructeur) pour obtenir le débit souhaité étant donné le profil du circuit et lecomportement du béton frais.

L'essentiel du déplacement du béton se fait par glissement d'ensemble. Pour desdébitsélevéset un bétonfluide, le bétonest partiellement,voire complètement

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débitsélevéset un bétonfluide, le bétonest partiellement,voire complètementcisaillé.

Dans les parties droites d'un circuit, les pertes de charges sont dues au frottement.

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Le graphe montre que le profil de pression est linéaire et donc que le frottementne dépend pas de la pression (au moins pour les bétons suffisamment fluides). Parcontre la pente du profil et donc le frottement dépend de la vitesse d'écoulement.

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Le tribomètre à béton utilise le corps du BTRHEOM.

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Le cylindre intérieur lisse (donc favorisant le glissement) tourne à différentesvitesses. Le glissement à proximité des parois du bol est empêché par des ailettes.

On en déduit la relation entre le couple exercé sur le cylindre intérieur et savitesse de rotation. Un éventuel cisaillement dans la masse du béton est détectépar l'incurvation de la droite obtenue et pris en compte.

Les graphes montrent la courbe débit/pression obtenue pour différents bétons.Les points représententles valeurs expérimentalesmesuréessur un circuit à

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Les points représententles valeurs expérimentalesmesuréessur un circuit àl'échelle 1. Les courbes en trait continu représentent la modélisation sur la basedes données tribologiques et rhéologiques mesurées sur les bétons et à partir de lagéométrie du circuit.

Le pompage fonctionne par à-coups. Dans le tuyau, le béton est précédé par unedosedebarbotine(coulisdeciment).

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dosedebarbotine(coulisdeciment).

L'inertie des granulats étant plus grande que celle de la pâte, ils sontprogressivement éjectés vers le front de pompage lors de l'amorçage du circuit.En excès, ces granulats peuvent s'arc-bouter et former un bouchon. Il faut alorsdémonter le tuyau où le bouchon a eu lieu et le purger.

C'est pourquoi on utilise une barbotine (mélange de ciment et d'eau) pouramorcer un circuit. Contrairement à une idée répandue, cela ne sert pas à lubrifierle circuit, mais à former une zone tampon pour "diluer" les granulats éjectés.

Le pompage fonctionne par à-coups. Dans le tuyau, le béton est précédé par une dose de barbotine (coulis de ciment).

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dose de barbotine (coulis de ciment).

L'inertie des granulats étant plus grande que celle de la pâte, ils sont progressivement éjectés vers le front de pompage lors de l'amorçage du circuit. En excès, ces granulats peuvent s'arc-bouter et former un bouchon. Il faut alors démonter le tuyau où le bouchon a eu lieu et le purger.

C'est pourquoi on utilise une barbotine (mélange de ciment et d'eau) pour amorcer un circuit. Contrairement à une idée répandue, cela ne sert pas à lubrifier le circuit, mais à former une zone tampon pour "diluer" les granulats éjectés.

On peut mesurer le ressuage d'un béton à l'aide d'un aéromètre à béton dont onremplit la colonnedetetrachloroethylène(pluslourdquel'eau). Touteeauressuée

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remplit la colonnedetetrachloroethylène(pluslourdquel'eau). Touteeauressuéesurnage alors dans la colonne et peut être mesurée précisément.

Pour en savoir plus sur le pompage et accéder à un logiciel de dimensionnementdecircuit depompagelire :

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decircuit depompagelire :

• [Kaplan, 2001]

• [LCPC et IREX, 2002]

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Un ressuage important peut également créer des lentilles d'eau en sous face desgranulats ce qui a pour conséquencede faire baisser de façon notable la

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granulats ce qui a pour conséquencede faire baisser de façon notable larésistance mécanique.

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On voit ici la hauteur finale d'eau ayant ressuée en fonction de la hauteur initialedubéton. Onvoit quela relationn'estpaslinéaire.

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dubéton. Onvoit quela relationn'estpaslinéaire.

Sur le graphe, le ressuage pour la pile de trois mètres diverge au bout de quelquesdizainesdeminutes. Descanauxd'écoulementpréférentielssesontformés.

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dizainesdeminutes. Descanauxd'écoulementpréférentielssesontformés.

Ce phénomène correspond au ressuage hétérogène. C'est le plus dommageablecar il nuit à la qualité des parements (présence de canaux), crée des défautslocaux internes et l'amplitude du phénomène est plus important que le ressuagehomogène.

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