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Technologie avancée de béton K.H. Khayat
1
Conférences Master 1
PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS
• Notions fondamentales de la rhéologie• Mesure de rhéologie des coulis de ciments et de bétons• Maniabilité et la stabilité de béton
BÉTONS SPÉCIAUX
• Les bétons autoplaçants• Les bétons à haute performance• Rhéologie et maniabilité des bétons coulés sous l’eau
Kamal H. Khayat
Notions fondamentales de rhéologie
La rhéologie est la science de la déformation et de l’écoulement de lamatière.
Le comportement rhéologique d’un corps est la manière selon laquelleses déformations correspondent aux contraintes de cisaillementimposées.
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Coulis d’injection dd1
2μdiγ
Vmaxc
22
τ0
P.2dL
Objectifs de l’étude de la rhéologie
• Estimer le système de forces nécessaire pour causer une déformation donnée
• Prédire les déformations causées par une condition de chargement donnée
W/C = 1 60 min
No VMA VMA
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rSP + VMA fluidity+ stability
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La rhéologie est l’étude de la déformation et de l’écoulement de la matière
Un corps se déforme s’il subit des changements deforme et de dimensions sous une chage appliquée (F).
Un corps s’écoule si le degré de déformation changecontinuellement avec le temps.
NOTIONS FONDAMENTALES DE RHÉOLOGIE
F V (t)X
F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa
A = 1 m2
= Contrainte de cisaillement
1 m
La contrainte de cisaillement indique la force par unité de surface nécessaire pour causer le cisaillement du fluide. mesuré en Pa, dynes/cm2 …
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V = 1 m/s
X
F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa
A = 1 m2
dV/dX = 1 m/s/m= 1/s
Taux de cisaillement = (s-1) = Contrainte de
cisaillement
1 m
Taux de cisaillement : le gradient de vitesse est une mesure de la variation de vitesse entre deux couches d’un fluide. est mesuré en m/s/m ou en s-1.
V = 1 m/s
X
F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa
A = 1 m2
dV/dX = 1 m/s/m= 1/s
1 m
Viscosité = = / (Pa.s)
La viscosité est la mesure de la résistance interne à l’écoulement
Taux de cisaillement = (s-1) = Contrainte de
cisaillement
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2. Fluide viscoplastique
Un fluide peut afficher un comportement viscoplastiquesi nous devons exercer une contrainte de cisaillement >certaines contraintes minimales (seuil d’écoulement)pour déclencher l’écoulement.
= tg
dv/dz
xy0
Fluide exclusivementvisqueux
Fluideviscoplastique
Si le seuil d’écoulement n’est pas dépassé, le fluide se déforme d’une façon élastique (corps solide).
Principes rhéologiques
Loi de Newton
D
Con
trai
nte
de
cisa
illem
ent
(
Coefficient de viscosité (
Coefficient de viscosité plastique (
Taux de cisaillement (D)
Seuil d’écoulement(
Loi de Bingham
D0
Single Point
Taux de cisaillement (D)
Con
trai
nte
de
cisa
illem
ent
(
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Matériaux ayant un seuil d’écoulement
Les matériaux ayant un seuil d’écoulement ne s’écoulent pas au repos
Facteur d’approximation pour une courbe d’écoulement
Rés
ista
nce
au
cis
aill
emen
t τ
γTaux de cisaillement
Fonction du modèle de Bingham
τ = τ0 + μ γ
μ Viscosité plastique
τ0 Seuil d’écoulement
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1200100080060040020000
40
80
120
160
200
Taux de cisaillement (1/s)
Rés
ista
nce
au
cis
aille
men
t (P
a) = 16.04 + 0.12 R2 = 0,995 = 0.07 + 0.04 R2 = 0,998
VMA = 0.05%
VMA = 0%
W/C = 0.40HRWR = 1%
Le coulis de ciment se comporte généralement comme un fluide de Bingham
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La viscosité apparente est mesurée par un rhéomètre à un taux de cisaillement donné
Taux de cisaillement (s-1)
Con
trai
nte
deC
isai
llem
ent
(Pa)
Seuil decisaillement
Viscosité apparente
Viscosité plastique
Viscosité = = /
10 00010001001
0
0,5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Taux de cisaillement (1/s)
Vis
cosi
té p
aare
nte
(Pa.
s)
VEA = 0%
0.03%
0.05%E/C = 0.40HRWR = 1%
Comportement pseudoplastique
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Temps de cisaillement
Vis
cosi
té
Thixotropie – variation de la viscosité avec le temps à un taux de cisaillement
constant (resersable (?))
Taux de cisaillement constant
Écrasement de la structure
Barnes et al. [1989] a decrease in time of viscosity under constant shear stress or shear rate, followed by a gradual recovery when the stress or shear rate is removed
Thixotropy
Time
= constshear rate
= 0.03 s-1sample at rest
Sh
ear
stre
ss
Recovery at very low shear rate
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Besoin de s’appuyer sur les principes rhéologiques
0
200
400
600
0 5 10 15 20 25
Temps (s)
Vis
cosi
té (
Pa.
s) Période de repos = 4 minutes
N = 0.9 tour/s
Période de repos= 2 minutes
Thixotropie (degré de restructuration) = f (t, t ’)t = temps écoulé t’ = période de repos
SCC
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Co
ntr
ain
te d
e ci
saill
emen
t (P
a)
0
200
400
600
800
0 5 10 15 20 25
Temps (s)
0.3 t/s
0.5 t/s
0.7 t/s
N = 0.9 t/s
0
200
400
600
800
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Vitesse de rotation (t/s)
Initial
Equilibre
Secteur de rupture?(J/m³.s)
dNvsvs ei )N . N . ( 9.0
3.0
Évaluation de la thixotropie
Lateral pressure measurements
H = 2.1 m, d = 0.2 m
Casting rate = 10 m/hr
5 pressure transducers (100 KPa capacity)
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Effet de la tête (?) du béton
76
80
84
88
92
96
100
100 200 300 400 500 600
Thixotropie: Breakdown area at T1 (J/m³.s)
P( m
ax
imu
m)
/ P( h
ydro
stat
iqu
e)to
ut
de
suit
e ap
rès
la m
ise
en p
lace
(%
)
Taux de mise en place = 10 m/hr
1.0 m
2.8 m
Coffrages en PVC de 2.8-m de haut
Description du projet
Coffrages en bois
7 capteurs de pression
0.4% renforcement
Taux de coulage ~ 6 to 9.5 m/h
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Diagramme typique de pression de coffrage
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100 120
Pression développée sur le coffrage (kPa)
Hau
t d
u b
éto
n (
m)
Pression hydrostatique
Affaissement = 720 mm Rapport sable/granulat total = 0.50Ciment ternaire = 475 kg/m³ e/mc = 0.40
Taux de coulage = 6.5 m/h
Tout de suite après le coulage
1 h3 h
P(max)
Cylindre coaxial avec pales sur les cyclindres intérieurs et extérieurs.
Mesure du torque sur le cylindre intérieur pendant que le cylindre extérieur tourne à des taux de rotation variables
Convertit les données en unités fondamentales basées sur la géométrie des champs de cisaillement
Rhéomètre BML
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)(
)/(2
2
3
41
42
31
32
00
RR
h
RR
linestraighterimentalexp
theofslopandoriginatordinate/and
partrotatingtheofvelocityangular
samplethetoappliedtorque
sampletheofpartshearedofheighth
apparatusofradiioutsideandinsideRandR
itycosvis
stressyieldshear
where
0
21
0
Z
Y
X
h
R1
r
R2
R2
BT-Rheom
Corrélations entre le seuil d’écoulement des rhéomètres
Corrélations linéaires pour les seuils d’écoulementDans chaque cellule, les coefficients de l’équation Y=AX +B sont montrés
A;B BML BTRHEOM IBB
BML 1.85; 300.9 0.008; 0.334
BTRHEOM 0.50; -122.0 0.004; 0.91
IBB 79.7; 126.2 155.3; 504.3
BML vs. IBB: BML 0 (Pa) = 79.7 g (N.m) + 126.2
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Seuil d’écoulement –formule de slump flow
•0 = 240 – 1/3*Écoulement
– Écoulement > 400 mm
BML
0 = 1000 – 3.5*Affaissement
Affaissement > 50 mm
Viscosité de diverses suspensions
Eau 0.001 Pa.s (1 cP)
Coulis de ciment 0.1 – 1.5 Pa.s
Mortier 3 – 10 Pa.s
Béton 10 – 100 Pa.s
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50-10020-100201-30.01-1Viscosité plastiqueN.s/m2 (Pa.s)
500-200050-10040080-40010-100Seuil d’écoulementN/m2 (Pa)
BétonBAPBéton fluideMortier Pâte de ciment, coulis
Matériau
Rhéomètre BML
Pâte de ciment
e/c 0.60 0.50 0.32
Vc 0.35 0.39 0.50
pâte (Pa.s) 0.49 0.90 17.4
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Exemple
V1ηη sc
1
pâte
3.40μ0.57
mortier
Pa.s3.54ηmortier
e/c = 0.55, s/c = 2.0 , F.M. de 3
Exemple
0.2613.54η 0.566
1 9.3160.89
béton
Pa.s4140.7ηbéton
Rapport sable/granulat de 0.54,granulat broyéSelon Table 2, Vca = 0.26
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Résumé
Pour 0.55 e/c, Cca = 0.566,
Csable = 0.646 Cciment = 0.55
Pa.s41ηbéton
Pa.s3.54ηmortier
Pa.s0.40η
pâte
Rheology of matrix must be controlled to avoid
particle segregation.
low yield value and viscosity
Static stability after casting
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Stability after casting : static stability
P
F gravitational = m p . g = p . V p . g F bouy. = m matrix . g = matrix . V p . g
F buoyant = g . m . V p
F down = F grav. - F buoy.
= . g . V p
matrix
Pto avoid segregation
F restoring = F drag ≥ F down
y . A p ≥ . g . V p
y ≥ 2/3 g (p m) p
F restoring
Segregation resistance under at rest is dependent on yield stress and matrix density
Sufficient viscosity to ensure uniform flow through closely spaced obstacles
Dynamic stability during casting
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Facteurs affectant l’ouvrabilité
• Teneur en eau• Teneur en pâte• Finesse et forme des granulats
– Sand fraction– Module de finesse
• Finesse du ciment– Les ciments fins requièrent plus d’eau, plus grande flocculation
Agents dispersants– SP, AEA, VEA, et autres
• Temps et Température• Vibration
Teneur en ciment
Teneur en ciment
Volume de pâte
Plus de pâte pour remplir les espaces entre les granulats et pour augmenter la distance
entre eux
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Teneur en ciment (BAP)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
400 450 500 550
Yie
ld s
tres
s (P
a)
Cement content (kg/m3)
w/c = 0.40
Teneur en ciment (BAP)
0
5
10
15
20
25
30
400 420 440 460 480 500 520 540 560
Cement content (kg/m3)
Pla
stic
vis
cosi
ty (
Pa.
s)
e/c = 0.40
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Volume de pâte
Volume de pâte
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Caractéristiques du ciment
Finesse
Pour une ouvrabilité donnée,
demande en eau
Pour une teneur en eau
donnée, ouvrabilité
ou
Paste
Finesse du ciment
Mortier
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Finesse du ciment
Teneur en eau
Teneur en eau
Concentration en solides
Moins de résistance à l’écoulement
Une haute teneur en eau peut causer de la ségrégation !
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