ETUDE des BETONS et des MORTIERS - INSA de Lyoncsidoc.insa-lyon.fr/these/2005/dierkens/08_chapitre_2.pdf · que les modes de fabrication feront l’objet d’une seconde partie

Chapitre II : Etude du Comportement de Bétons et de Mortiers 71

ETUDE

BETONS

des

MORTIERS

et des

72 Chapitre II : Etude du Comportement de Bétons et de Mortiers


2. ETUDE COMPAREE DU COMPORTEMENT DE BETONS ET DE MORTIERS

Ce second chapitre est consacré au suivi des propriétés mécaniques et rhéologiques des bétons et mortiers, utilisés avec ou sans adjuvant. La présence de gros granulats posant des problèmes techniques, ce type d’études est souvent menée par le biais de mortiers (voir e. g. [Maximillien, 1995]) ou de pâtes de ciment (aiguille de Vicat e. g.) dont la composition est judicieusement choisie. Il existe plusieurs manières d’obtenir de tels mortiers à partir de la composition d’un béton : on peut par exemple conserver la fluidité initiale, le comportement thermique, la distance intergranulaire… Tout l’enjeu consiste alors à savoir jusqu’à quel point ces mortiers permettent de tirer des enseignements sur le comportement des bétons associés (existence de grandeurs liées pour les deux types de matériau ? Durée de ce lien, …). Dans un premier temps seront présentées les deux catégories de mortiers testées dans cette thèse. Les matériaux utilisés, les compositions précises des mortiers et bétons testés ainsi que les modes de fabrication feront l’objet d’une seconde partie. Les résultats concernant le comportement mécanique général des mortiers et bétons seront ensuite présentés. Les allures typiques des courbes d’évolution des grandeurs mesurées ou calculées seront exposées et analysées. Des moments particuliers de la prise seront alors définis. L’impact des différents adjuvants testés sur le déroulement de la prise sera ensuite abordé. On s’attachera en particulier à la sensibilité de chacune des grandeurs mesurées vis-à-vis de l’usage d’adjuvants, de manière à identifier celles qui sont les plus pertinentes pour le suivi de la prise de matériaux hydrauliques adjuvantés. Enfin, on montrera, grâce aux deux types de mortiers utilisés, que des changements de structure granulaire conduisent à des différences notables dans le développement des propriétés rhéologiques. Les relations éventuelles de passage existant entre ces matériaux seront également étudiées.

2.1 Des mortiers pour l’étude de bétons

Il est parfois habile d’étudier le comportement de bétons par le biais d’études sur des mortiers judicieusement choisis. Ces mortiers présentent alors l’avantage d’être plus faciles à tester, les volumes de matériau requis étant plus faibles du fait de la diminution du volume représentatif. Deux stratégies de calculs de mortiers associés à des bétons sont présentées dans cette partie. La première concerne l’obtention de mortiers thermiquement équivalents (appelés ici « mortiers MT »), la seconde est relative aux « mortiers de béton équivalent » (MBE).

74 II.1 : Des Mortiers pour l’Etude de Bétons

2.1.1 Mortiers MT :

Les réactions chimiques intervenant dans la prise des bétons sont thermoactivées. Pour obtenir des mortiers comparables à des bétons donnés, on peut donc essayer de conserver une même histoire thermique, en fabriquant des mortiers dégageant la même chaleur d’hydratation et ayant la même chaleur spécifique massique. Pour arriver à ce résultat, il suffit de conserver les quantités de ciment et d’eau et de remplacer le gravier par une même masse de sable. La masse de sable du mortier est alors égale à la somme des masses de sable et de gravier du béton.

Fig. 21. 1 : Passage du béton au mortier MT

Lorsque l’on passe de la formulation d’un béton à celle d’un mortier MT (fig. 21.1) :

• le remplacement du gravier par du sable diminue l’étendue granulométrique (fig. 21.2 : le mortier est réalisé avec une partie du sable du béton) : on devrait donc obtenir une augmentation de la distance intergranulaire.

• le gravier a été remplacé par une même masse de sable. Les grains de sable ayant un volume plus petit que celui des graviers, il en résulte que la surface globale des granulats a augmenté, alors que la surface du ciment et de l’eau est conservée. On peut ainsi penser que les mortiers MT frais sont moins fluides que les bétons associés car il faut plus de pâte pour enrober et écarter les grains de sable de manière comparable.

• la quantité d’air présente dans le mortier MT ne peut pas être contrôlée lors de sa fabrication. Celle-ci peut donc varier d’une formulation à l’autre et avoir une influence (très faible) sur l’inertie thermique du matériau, qui ne sera donc pas rigoureusement conservée lors du passage du béton au mortier MT.

le volume se conserve

béton

gravier

mortier MT

sable du béton sable rajouté


Fig. 21. 2 : Comparaison de la granulométrie d’un béton courant (BB2), du MBE associé (MBE2) et

du mortier thermiquement équivalent (MT) associé

2.1.2 Mortiers de béton équivalent (MBE) :

Bibliographie : [Geoffray, 1998], [Equipe CTG-Ciments Calcia-Axim-Unibéton, 1998], [Equipe LPC Clermont-Ferrand, 1998], [Equipe Origny-CIA-Orsa Bétons, 1998], [Equipe RMC, 1998], [Equipe Vicat BGC-Sigma Béton, 1998], [Projet National CALIBE, 1999], [Catherine et Loquin, 1999]. La méthode de calcul des MBE a été développée dans le cadre du projet national Calibé pour résoudre des problèmes liés à l’usage de bétons adjuvantés, certains de ces matériaux présentant des fausses prises, sans raison apparente. Il a alors été décidé de trouver une méthode permettant de réaliser facilement des essais sur mortiers plutôt que sur bétons. Le calcul des MBE est basé sur deux réflexions permettant de penser que ce sont les surfaces de contact des constituants qui importent, plutôt que leur volume :

• la première découle du fait que l’ouvrabilité d’un béton provient de la façon dont ses constituants arrivent à « glisser » les uns sur les autres pour s’écouler.

• la seconde a pour origine la chimie de la prise, les hydrates se formant plutôt au niveau des interfaces (ici : gravier/pâte, cf. fig. 21.3).

Fig. 21. 3 : Formation d’hydrates à la surface des granulats [Acker, 1988]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100

mailles du tamis en mm

tami

sats

cumu

lés en

%

BB2MBE2mortier MT associé

76 II.1 : Des Mortiers pour l’Etude de Bétons

Calculer un MBE consiste ainsi à remplacer les graviers du béton par du sable dont la surface développée des grains est égale à celle du gravier que l’on a ôté. Elle diffère donc profondément de la méthode de calcul des mortiers MT. Le calcul complet est fourni en annexe 2.

Fig. 21. 4 : Passage du béton au MBE

Lorsque l’on passe de la formulation d’un béton à celle d’un MBE (fig. 21.4) :

• l’étendue granulométrique est diminuée (fig. 21.2), ce qui conduit à une augmentation des distances intergranulaires.

• les graviers du béton sont remplacés par du sable de même surface. Le rapport surface/volume des petites particules étant plus élevé que pour les grandes (cf. S/V=3/r, avec r=rayon de la sphère), le gravier est remplacé par une masse moindre de sable. Indépendamment de l’air (non contrôlable), la capacité calorifique du MBE est alors plus faible que celle du béton associé, alors que la chaleur d’hydratation produite est conservée (mêmes quantités d’eau et de ciment). Les MBE devraient donc atteindre des températures plus élevées que leurs bétons associés. Leurs réactions de prise seront ainsi plus thermoactivées que celles des bétons.

• on peut penser qu’il existe un lien entre la fluidité initiale des bétons et celle des MBE associés, le volume d’eau et les surfaces de ciment et de granulats étant conservées. Cet aspect a d’ailleurs été vérifié lors du projet Calibé. Cent bétons (allant du B25 au B40, e/c compris entre 0,44 et 0,64), et 1200 MBE, utilisant 30 adjuvants différents (plastifiants, superplastifiants, hauts réducteurs d’eau), ont été fabriqués. Les essais ont été réalisés au moyen du classique cône d’Abrams pour les bétons. Un mini-cône a par contre été utilisé pour les MBE, du fait de la diminution du volume de matériau représentatif (fig. 21.5). Dans le cas des MBE, c’est l’étalement qui a été mesuré et non plus l’affaissement, compte tenu de la grande fluidité de ces matériaux lorsqu’ils sont adjuvantés. Une corrélation linéaire a alors été trouvée entre l’affaissement des bétons et l’étalement des MBE (fig. 21.6), sur une durée de 90-120 min (1 mesure toutes les 15 min). La droite obtenue varie selon les formulations testées et selon les températures de coulée. Les coefficients de détermination sont compris entre 0,72 (plutôt mauvais) et 0,99 (bonne corrélation).

volume de granulat manquant

surface conservée

béton MBE

eau + ciment : conservésgravier sable


Fig. 21. 5 : Cône d’Abrams et mini-cône Fig. 21. 6 : Corrélation linéaire entre affaissement

[Catherine et Loquin, 1999] au cône et étalement au mini-cône

[Equipe RMC, 1998] : 10°C, e/c=0,64)

Remarque sur la composition des matériaux testés : Si l’on examine la composition volumique de la pâte des bétons (sable+ciment+eau), on est frappé par sa grande ressemblance avec celle des MBE (fig. 21.8 : comparer par rapport aux mortiers MT et leurs bétons associés). Il en résulte l’équivalence approximative suivante

(fig. 21.7) : béton ≈ MBE + graviers Il faut néanmoins remarquer que cette relation n’est pas vérifiée de manière stricte, car cela serait incompatible avec l’hypothèse de conservation de la surface développée. Si les graviers jouent un rôle mécanique peu important (cas par exemple d’un matériau très fluide), le béton aura alors un comportement proche de celui de sa pâte intergravier et donc de son MBE associé. Pour les matériaux plus fermes, les granulats jouent un rôle mécanique important dès le début de l’essai, ce qui devrait interdire toute équivalence béton-MBE.

Fig. 21. 7 : Modélisation des MBE

100 mm

50 mm 300 mm

200 mm

100 mm

150 mm

MBE béton

≈ même pâte (sable + ciment + eau)

gravier

78

II.1

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Fig.

21.

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0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

MBE1a : M55-24

MBE1b : M55-22

BB1 : B55-20

MBE2 : M44-23

BB2 : B44-22

MBE3 : M40-25

BB3 : B40-25

MT1 : M50-28

BT1 : B50-25

MT2 : M60-26

BT2 : B60-20

MT3 : M55A2-24

BT3 : B55A2-19

MT4 : M60R4-24

BT4 : B60R4-18

MT5 : M50P4-25

BT5 : B50P4-22

MT6 : M50P5-24

BT6 : B50P5-19

BT7 : B45P4-21

BT8 : B45-21

BT9 : B45-24

BT10 : B60-27

volumes (m^3)ai

rgr

avie

rsa

ble

cim

ent

eau


2.1.3 Comparaison des deux mortiers : fig. 21.8 et fig. 21.9

Les mortiers MT possèdent le même volume de granulat que les bétons associés. Les MBE possèdent, quant à eux, un volume moindre de granulats que les bétons. Il y a donc moins de sable dans les MBE que dans les mortiers MT, alors que les quantités de ciment et d’eau sont conservées. La capacité calorifique des MBE est donc plus faible (en négligeant le rôle de l’air) que celle des mortiers MT : ils atteindront donc des températures plus élevées et les réactions chimiques de leur prise seront ainsi plus thermoactivées. La courbe granulométrique des mortiers MT étant moins complète que celle des MBE (du fait que le sable utilisé est différent : fig. 21.2), on peut penser que les distances intergranulaires seront plus grandes pour les mortiers MT que pour les MBE. Les MBE devraient donc avoir une prise beaucoup plus rapide que celle des mortiers MT associés.

Fig. 21. 9 : Comparaison mortier MT – MBE

Fig. 21. 10 : Compositions massiques d’un béton (BB1), du mortier MT associé et du MBE associé

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

béton mortier MT MBE

graviersablecimenteau

béton

MBE mortier T

80 II.2 : Choix et Fabrication des Bétons et Mortiers testés

Si l’on se ramène à 1 m3 (fig. 21.10, voir aussi fig. 22.3), il devient possible de comparer les formulations des bétons, MBE et mortiers MT associés. On peut alors vérifier que les deux mortiers ont des formulations très différentes et ne permettront pas de prédire les mêmes informations sur le comportement du béton associé. On peut résumer l’ensemble des considérations précédentes au moyen des schémas présentés en fig. 21.11.

Fig. 21. 11 : Quelques différences entre bétons, MBE, et mortiers MT

2.2 Choix et fabrication des bétons et mortiers testés

2.2.1 Matériaux de base

Le ciment utilisé est un CPA-CEM I, fourni par la Société Vicat. Ses caractéristiques physico-chimiques sont présentées en annexe 2 (fig. A2.1). Les adjuvants utilisés ont été fournis par la Société SIKA (les notices techniques sont également en annexe 2 fig. A2.2 à A2.4). Il s’agit :

• d’un plastifiant (noté P4 ou P5 selon le dosage employé) : PLASTIMENT 97, polymère de synthèse ayant un fort pouvoir de dispersion des grains de ciment. La plage de dosage recommandée par le fabricant va de 0,3 à 2% du poids de ciment (dosage usuel : 0,3-1%).

• d’un retardateur de prise (noté R) : SIKA RETARDER, à base de phosphate. Il induit un retard proportionnel au dosage employé. La plage d’utilisation recommandée va de 0,2% à 2% du poids de ciment, selon la température et le retard désiré.

• d’un entraîneur d’air (noté A) : SIKA AER 5. La plage d’utilisation recommandée par le fabricant va de 0,03 à 0,5% du poids de ciment (dosage habituel : 0,15%).

distance intergranulaire

quantité d’eau

MT

MBE

béton

inertie thermique (ρC) valeurs en kJ/K pour 200 kg de ciment

bétons – mortiers MT

MBE 800-900

1200-1300

0


Tous les essais ont été réalisés avec des granulats roulés de densité 2,65 t/m3. Ils sont composés d’un sable de classe 0/5 mm (carrière de Millery, cf. annexe 2 fig. A2.5) et d’un gravier de classe 5/20 mm (carrière de Décines, cf. annexe 2 fig. A2.6). Les matériaux sont classiquement introduits dans le malaxeur par ordre de taille décroissante : d’abord le gravier, ensuite le sable, puis le ciment. L’ensemble est malaxé à sec pendant 1 min. L’eau est ensuite introduite dans le malaxeur, l’adjuvant étant mêlé à l’eau de gâchage selon les suggestions du fabricant. L’ensemble est alors malaxé pendant 2 minutes. Remarque sur les granulats : Le fournisseur ayant changé ses stocks, la granulométrie des matériaux a été modifiée entre les différentes campagnes expérimentales. Les courbes granulométriques correspondantes (fig. 22.1 : courbes des années 2000 et 2001) montrent que les graviers 0/20 sont distincts pour des tailles supérieures à 6,3 mm. La grande proximité des courbes granulométriques associées au béton BB1 pour les deux types de granulats (fig. 22.1) montre que l’impact du changement de granulat est négligeable. Ce point est également vérifié expérimentalement, l’évolution de la vitesse des ondes P étant très proches pour les essais BB2 et BT8 (fig. 22.2) alors que ces essais diffèrent essentiellement par le type de granulat utilisé. La campagne de mesures MT a donné lieu à des essais croisés avec le FreshCon Device de l’Université de Stuttgart (§1.2.2.4). Les essais correspondants ont donc été réalisés avec un sable de classe 0/2 (fig. 22.1), obtenu par tamisage du sable 0/5 de 2001.

Fig. 22. 1 : Courbes granulométriques

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100mailles du tamis en mm

tam

isats

cum

ulés

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gravillon 5/20 valeurs 2001 gravillon 5/20 valeurs 2000 sable 0/5 valeurs 2001sable 0/5 valeurs2000 sable 0/2 valeurs 2001 béton BB1 valeurs 2000béton BB1 valeurs 2001


Fig. 22. 2 : Impact d’un changement de granulat

2.2.2 Campagnes expérimentales

Trois campagnes d’essais ont été réalisées (tabl. 22.1, fig. 22.3). Il s’agit de : • la campagne MT, destinée à caractériser l’action d’adjuvants sur des mortiers. Elle a été

réalisée en collaboration avec l’Université de Stuttgart, dans le cadre de la RILEM (TC 185 ATC).

• la campagne BT, comprenant des essais analogues à ceux de la campagne MT, mais réalisée sur des bétons. Elle permet de caractériser l’action d’adjuvants sur les bétons mais également de tester si les mesures réalisées sur mortiers MT peuvent être liées à celles obtenues sur bétons.

• la campagne BB-MBE, qui permet de tester la possibilité de remplacer l’étude de bétons par celle de MBE.

2.2.2.1 Campagnes MT et BT

Campagne MT (mortiers thermiquement équivalents) : Les mortiers de cette campagne (sauf MT6) sont calculés afin d’obtenir la même fluidité initiale que le mortier de référence MT2 (point qui n’a pas pu être vérifié car les mortiers étaient trop fermes pour s’affaisser). Les teneurs en eau ont donc été corrigées en fonction de la nature de l’adjuvant employé, selon les indications fournies par le fabricant. Aucune correction n’a été utilisée pour le retardateur de prise car cet adjuvant modifie essentiellement la fluidité initiale par la faible quantité d’eau qu’il contient. L’essai MT6 a été réalisé pour tester l’influence de l’augmentation du dosage en plastifiant par comparaison avec l’essai MT5.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300

temps (min)

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BT8 : B45-21

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-

- mortiers de

béton équivalent

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40

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- B

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378

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55

19,6

-

- B

B2

: B44

-22

395

1112

74

2 17

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44

22,9

-

-

bétons associés

aux MBE

BB

3 : B

40-2

5 40

1 11

30

754

161

0,40

25

,1

- -

MT1

: M

50-2

8 38

6 -

1811

* 19

3 0,

50

28,0

-

- M

T2 :

M60

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380

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228

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- -

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2-24

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55

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24

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: M

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- 18

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P4

0,4

mortiers thermiquement

équivalent

MT6

: M

50P5

-24

380

- 18

24*

190

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0,5

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193

0,50

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- -

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: B

60-2

0 38

0 10

34

689

228

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- -

BT3

: B

55A

2-19

38

0 10

64

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0,55

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A

0,2

BT4

: B

60R

4-18

38

0 10

34

689

228

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R

0,4

BT5

: B

50P4

-22

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1094

73

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50

21,8

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0,

4 B

T6 :

B50

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9 38

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0,50

18

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P5

0,5

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: B

45P4

-21

369

1137

75

8 16

7 0,

45

21,0

P4

0,

4 B

T8 :

B45

-21

380

1125

75

0 17

1 0,

45

21,3

-

- B

T9 :

B45

-24

380

1125

75

0 17

1 0,

45

23,6

-

-

bétons associées aux mortiers thermiquement équivalents

BT1

0 : B

60-2

7 38

0 10

34

689

228

0,60

27

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- -

84

II.2

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60%

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80%

90%

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MBE1a : M55-24

MBE1b : M55-22

BB1 : B55-20

MBE2 : M44-23

BB2 : B44-22

MBE3 : M40-25

BB3 : B40-25

MT1 : M50-28

BT1 : B50-25

MT2 : M60-26

BT2 : B60-20

MT3 : M55A2-24

BT3 : B55A2-19

MT4 : M60R4-24

BT4 : B60R4-18

MT5 : M50P4-25

BT5 : B50P4-22

MT6 : M50P5-24

BT6 : B50P5-19

BT7 : B45P4-21

BT8 : B45-21

BT9 : B45-24

BT10 : B60-27

air

grav

ier

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u


Campagne BT : L’essai BT2 correspond au béton de référence. Le principe de calcul des formulations est le même que celui des mortiers MT. L’essai BT6, comparé à BT5, permet de tester l’impact d’une augmentation de la teneur en plastifiant. Les essais BT1, BT8, BT9 et BT10 permettent de tester l’effet de changements de rapport e/c et/ou de température de coulée. Remarques relatives au suivi des températures : Les matériaux utilisés pour fabriquer les bétons et mortiers ont été stockés dans une enceinte climatique afin d’obtenir une température de coulée proche des 20°C. Des dysfonctionnements de l’enceinte ont cependant conduit à l’obtention de températures de coulée de l’ordre de 24-26°C pour les mortiers MT, alors que celles des bétons BT (sauf BT5) avoisinaient les 18-20°C. Les écarts entre les valeurs de chaque paire BT-MT sont constants et valent 5-6°C (tabl. 22.2, sauf MT5-BT5). Ainsi, mis à part le cas des formulations MT5-BT5, les mortiers MT peuvent néanmoins être comparés aux bétons correspondants. Les fig. 22.4 à 22.9 montrent que la température des mortiers MT évolue plus vite que celle des bétons, malgré la sous-estimation des valeurs des mortiers. Ces écarts entre les courbes des essais BT et MT sont du même ordre de grandeur que ceux observés sur la fig. 22.10, correspondant à deux bétons dont les températures initiales sont distantes de 7°C. Ils s’estompent dès que l’écart de température de coulée devient négligeable (fig. 22.11, l’écart final étant dû au fait que l’enceinte n’est pas parfaitement adiabatique). Ils sont donc dus à l’écart de 5-6°C des températures de coulée entre mortiers MT et bétons BT associés. Le mode de calcul des mortiers MT permet donc de réaliser des mortiers ayant une même histoire thermique que leurs bétons associés, sous réserve de fabriquer des matériaux à même température de coulée et évoluant dans les mêmes conditions thermodynamiques externes.

essais bétons Tc (°C) essais mortiers MT Tc (°C) écarts de température (°C)

BT2 : B60-20 20,0 MT2 : M60-26 26,4 6,4

BT5 : B50P4-22 21,8 MT5 : M50P4-25 25,2 3,4

BT6 : B50P5-19 18,9 MT6 : M50P5-24 23,9 4,9

BT3 : B55A2-19 18,7 MT3 : M55A2-24 24,1 5,4

BT4 : B60R4-18 17,8 MT4 : M60R4-24 23,8 6,0

Tabl. 22. 2 : Températures de coulée des essais des campagnes MT et BT


Fig. 22. 4 : Températures : MT2 et BT2 Fig. 22. 5 : Températures : MT3 et BT3



Fig. 22. 10 : Températures : BT10 et BT2 Fig. 22. 11 : Températures : MT2 et BT10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16

temps (heures)

T°C

MT2 : M60-26

BT2 : B60-20

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

temps (heures)

T°C

MT3 : M55A2-24BT3 : B55A2-19

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

temps (heures)

T°C

MT4 : M60R4-24

BT4 : B60R4-18

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16

temps (heures)

T°C

MT5 : M50P4-25

BT5 : B50P4-22

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8

temps (heures)

T°C

MT1 : M50-28

BT1 : B50-25

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

temps (heures)

T°C

MT6 : M50P5-24BT6 : B50P5-19

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 14 16

temps (heures)

T°C

BT10 : B60-27

BT2 : B60-20

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 2 4 6 8 10 12

temps (heures)

T°C

MT2 : M60-26

BT10 : B60-27


Les valeurs théoriques calculées pour les températures finales des mortiers MT sont très supérieures aux valeurs mesurées (principe de calcul : §2.4.1, valeurs : tabl. 24.1). Ces écarts entre mesure et calcul théorique, compris entre 11 et 17°C, sont bien supérieurs à ceux obtenus sur bétons. L’usage d’éprouvettes 11*22 pour le suivi des températures des mortiers a ainsi conduit à sous-estimer les mesures réalisées sur mortiers, du fait de l’importance des pertes thermiques.

2.2.2.2 Campagne MBE-bétons BB :

Trois bétons (appelés bétons BB pour ne pas les confondre avec les bétons BT) ont été fabriqués, ainsi que leurs trois MBE associés. Un quatrième MBE permet de tester la reproductibilité des résultats obtenus (cf. tabl. 21.1 : MBE1a et MBE1b). Les résultats de l’essai BB3 n’ayant pas pu être exploités, le MBE3 sera comparé à l’essai BT9, ayant un rapport e/c et une température de coulée proches de ceux de l’essai BB3. Mesures d’affaissements et d’étalements : Les mesures ont été réalisées 15, 30 et 45 minutes après le début de la prise. Les résultats obtenus pour les formulations 1 et 2 (le béton BB3 ne s’est pas affaissé) sont présentés dans la fig. 22.12 et le tabl. 22.3. Sur la fig. 22.12 ont également été rajoutés des mesures correspondant à des formulations proches de celles testées (valeurs issues de : [Equipe CTG-Ciments Calcia-Axim-Unibéton, 1998], [Equipe RMC, 1998] et [Equipe Vicat BGC-Sigma Béton, 1998]). Pour les couples BB1-MBE1b et BB2-MBE2, l’affaissement du béton semble varier linéairement en fonction de l’étalement du mortier. Ces résultats sont cependant moins concluants que ceux du projet national Calibé, dans la mesure où 3 points seulement ont été testés.

Tabl. 22. 3 : Valeurs d’affaissement des bétons et d’étalement des MBE

Les droites de corrélation obtenues dans cette thèse sont différentes de celles du projet Calibé, ce qui est vraisemblablement dû au changement de granulat (cf. fig. 22.12, les courbes Calibé avec superplastifiant diffèrent par le granulat utilisé). On retrouve également l’existence de droites de corrélation différentes lorsque l’on change de rapport e/c (e.g. MBE1b et MBE2). Les résultats obtenus sont donc cohérents avec ceux du projet Calibé.

étalement au mini-cône (mm) temps 15’ 30’ 45’

MBE1b 260 245 220 MBE2 120 118,3 110 MBE3 100 95 92

affaissement au cône (cm) temps 15’ 30’ 45’ BB1 24,0 20,5 18,5 BB2 13,5 8,5 5,5

88

II.2

: C

hoix

et F

abric

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n de

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ons e

t Mor

tiers

test

és

Fig.

22.

12

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MB

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0510152025

100

125

150

175

200

225

250

275

300

étal

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t du

MB

E (m

m)

affaissement du béton (cm)

BB1

: B55

-20

; MBE

1b :

M55

-22

calib

é e

/c=0

,56

T=2

2°C

; PR

E

BB2

: B44

-22

; MBE

2 : M

44-2

3

calib

é e/

c=0,

44 T

=24°

C ;

SP

calib

é e

/c=0

,46

T=2

1°C

; SP

calib

é e/

c=0,

47 T

=21°

C ;

SP

calib

é e/

c=0,

47 T

=22°

C s

ur m

ortie

r, 26

°C s

ur b

éton

; SP

et R


2.2.2.3 Teneurs en air des matériaux fabriqués :

La propagation des ondes P étant directement liée à la compressibilité du milieu, les teneurs en air occlus des matériaux testés ont été fournies dans les tabl. 22.4 à 22.6. Les mesures ont été réalisées à l’aéromètre, sauf pour les essais MT3 à MT6 (trop fermes) dont les valeurs ont été estimées à partir des masses volumiques du matériau frais et du matériau sans air (calcul théorique). Globalement, les valeurs des mortiers sont plus élevées que celles des bétons associées, ce qui est classique.

Tabl. 22. 4 : Teneurs en air, campagne MBE-bétons BB

Nom de l’essai MT1 : M50-28

MT2 : M60-26

MT3 : M55A2-24

MT4 : M60R4-24

MT5 : M50P4-25

MT6 : M50P5-24

teneur en air occlus (%) 1,5 6,0 14,8 8,1 8,2 19,7

Tabl. 22. 5 : Teneurs en air, campagne MT (en grisé : valeurs calculées à partir des masses volumiques)

Tabl. 22. 6 : Teneurs en air, campagne BT

2.2.3 Conclusions

L’ensemble des formulations retenues permet de caractériser et de comparer le rôle joués par des adjuvants (un entraîneur d’air, un retardateur de prise et un plastifiant) ainsi que l’impact de changements de structures granulaires sur le déroulement de la prise (campagnes BT-MT et BB-MBE). Les liens éventuels entre le comportement des bétons et celui de leurs mortiers associés pourront également être étudiés.

Nom de l’essai MBE1a : M55-24

MBE1b : M55-22

MBE2 : M44-23

MBE3 : M40-25

BB1 : B55-20

BB2 : B44-22

BB3 : B40-25

teneur en air occlus (%) 0,9 1,8 4,0 0,9 1,0 1,0 2,6

Nom de l’essai

BT1 : B50-25

BT2 : B60-20

BT3 : B55A2-19

BT4 : B60R4-18

BT5 : B50P4-22

BT6 : B50P5-19

BT7 : B45P4-21

BT8 : B45-21

BT9 : B45-24

BT10 : B60-27

teneur en air occlus

(%) 4,0 1,0 4,5 0,9 2,4 2,5 2,4 1,8 2,6 1,0

90 II.3 : Comportement Général

2.3 COMPORTEMENT GENERAL

Les allures générales de l’évolution des grandeurs mesurées, ou calculées par analyse inverse, sont présentées dans cette seconde partie.

2.3.1 Mesures au Vibroscope

Cette partie concerne l’étude des vitesses Cp et Cs et des rapports de pression P3/P2 (amortissement) et P4/P2 (effet Poisson). L’amortissement des ondes S n’a pas pu être exploité.

2.3.1.1 Vitesse des ondes

Allure générale des courbes : La vitesses des ondes de compression présente initialement une courbe d’allure exponentielle (fig. 23.1), du type Cp=Co.exp(t/τ), où Co est la vitesse initiale théorique et τ un temps caractéristique du déroulement mécanique de la prise (cf. §1.1.1 : la prise, aspects mécaniques). Le palier final n’est habituellement pas visible car l’essai au Vibroscope est arrêté avant cette phase. Il est néanmoins accessible par l’essai ultrasonore (cf. §1.3.2.2 : validation de la mesure).

Fig. 23. 1 : Modélisation exponentielle de la courbe des vitesses (essai BT6 : B50P5-19)

En début de prise, de nombreux hydrates se forment sans être connectés. La compressibilité du matériau diminue donc essentiellement du fait de l’augmentation de la viscosité de la pâte interbulles, ce qui conduit à une faible augmentation de la vitesse des ondes de compression. La durée de cette phase n’excède généralement pas 120 min pour des bétons ou mortiers courants (point cohérent avec la faible évolution des valeurs de célérités des ondes P obtenue par [Grosse & Reinhardt, 2001] pendant environ 100 min). Cette durée a cependant atteint jusqu’à 200 min pour des formulations utilisant des retardateurs de prise

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 120 240 360 480

temps (min)

log

(Cp)

, ave

c C

p en

(m/s

)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 120 240 360 480

temps (min)

Cp

(m/s

)


(≈250 min pour [Grosse & Reinhardt, 2001]). Après τ, les hydrates qui continuent de se former viennent renforcer un réseau percolant, ce qui conduit à une hausse rapide de la vitesse des ondes P par hausse du module oedométrique. La vitesse augmente alors jusqu’à environ 2500 m/s, valeur à laquelle les mesures sont arrêtées (cf. §1.3.1.4). Le début de la hausse rapide des valeurs de célérité est lié à la notion de phase de percolation (béton cellulaire : [Arnaud, 1993], [Villain, 1997], mortier : [Villain, 1997], pâte de ciment dégazée : [Boumiz, 1995], béton courant : [Thinet, 2000]). Pour les essais de cette thèse, le temps τ est compris entre 60 et 220 min, valeurs cohérentes avec les dates caractéristiques obtenues au moyen d’autres dispositifs. [Boumiz, 1995] obtient une valeur d’environ 120 min pour une pâte de ciment dégazée (T=25°C, e/c=0,4) et observe sa première onde de cisaillement au bout de 200 min, [Belkheiri & al., 1999] trouvent 135 min sur un ciment CPA 55 (mesure au prisomètre ultrasonore), tandis que [Pessiki & Carino, 1988] montrent que la vitesse des ondes P augmente de manière nette sur béton (impact echo method, e/c=0,42) au bout d’environ 180 min (les signaux deviennent alors très nets). [Reinhardt & al., 2000] obtiennent, quant à eux, 120 min pour des mortiers de rapport e/c compris entre 0,5 et 0,6. [Grosse & Reinhardt, 2001] obtiennent sur mortiers adjuvantés et sur bétons des valeurs comprises approximativement entre 1 et 4 h (N. B. : ces derniers essais correspondent aux essais BT9, BT10 et MT2 à MT5 de cette thèse). Le fait que toutes ces données soient obtenues avec des dispositifs basés sur des principes différents conforte ces résultats. Remarques sur les valeurs initiales : Co Ces valeurs sont très basses et comprises entre 40 et 200 m/s, la majorité d’entre elles étant comprises entre 80 et 120 m/s, ce qui est relativement homogène compte tenu de la large gamme parcourue en cours de prise (les valeurs finales dépassent les 4000 m/s). Ces valeurs sont cohérentes avec celles obtenues sur bétons par [Pessiki & Carino, 1988], de l’ordre de 200 m/s (premières mesures obtenues après 1,5h sur signaux très diffractés), ainsi qu’avec celles de [Reinhardt & al., 2000], qui sont de 100 m/s pour des mortiers avec des rapports e/c compris entre 0,5 et 0,6, et celles de [Grosse & Reinhardt, 2001], de l’ordre de 250 m/s pour des mortiers adjuvantés ou non et des bétons standards (seul un béton à e/c=0,6 présente une vitesse de 500 m/s). Les valeurs sont également cohérentes avec les valeurs de Co de [Thinet, 2000] obtenues sur bétons (comprises entre 60 m/s et 215 m/s) et avec l’ordre de grandeur des premières mesures obtenues par [Villain, 1997] sur béton cellulaire (≈ 20m/s, valeurs plus faibles du fait de la plus forte teneur en air de ces matériaux).

92

II.3

: C

ompo

rtem

ent G

énér

al

Fig.

23.

2 :

Cou

rbe

maî

tres

se p

our

la v

itess

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paga

tion

des o

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P (l

es b

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C)

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997]

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Thi

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2000

])

0510152025

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

t/τ (P

)

Cp/CpoM

T1 :

M50

-28

MT2

: M

60-2

6M

T3 :

M55

A2-2

4M

T4 :

M60

R4-

24M

T5 :

M50

P4-2

5M

T6 :

M50

P5-2

4BT

1 : B

50-2

5BT

2 : B

60-2

0

BT3

: B55

A2-1

9BT

4 : B

60R

4-18

BT5

: B50

P4-2

2BT

6 : B

50P5

-19

BT7

: B45

P4-2

1BT

8 : B

45-2

1BT

9 : B

45-2

4BT

10 :

B60-

27

BSP1

B04

3-21

BSP2

B05

1-21

BSP3

B05

5-25

BSP4

B05

5-27

b04-

10b0

6-10

b04-

20b0

6-20

b04-

30b0

6-30

BB1

: B55

-20

BB2

: B44

-22

BB3

: B40

-25

BDE1

B04

1-21

BDE2

B03

5-22

BDE3

B05

5-22

BDE4

B04

1-20

MBE

1a :

M55

-24

MBE

1b :

M55

-22

MBE

2 : M

44-2

3M

BE3

: M40

-25

BC-B

C2

BC-S

C2

BC-C

OM

8

BC-C

OM

3BC

-CO

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BC-C

OM

5BC

-CO

M6

BC-C

OM

7

C

hapi

tre II

: Et

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ompo

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e B

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e M

ortie

rs

93

Fig.

23.

3 :

Cou

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maî

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se :

onde

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éton

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lula

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n, 1

997]

)

05101520

0,0

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2,5

3,0

t/ τ (P

)

Cp/CpoBC

-BC

2

BC-S

C2

BC-C

OM

8

BC-C

OM

3

BC-C

OM

4

BC-C

OM

5

BC-C

OM

6

BC-C

OM

7


Adimentionnalisation des courbes de vitesse : Co est un paramètre dépendant fortement de la microstructure initiale (teneur en air, proportions granulaires, composition, …). Le temps τ, quant à lui, est un temps caractéristique de l’évolution mécanique du matériau. On peut donc s’attendre à ce qu’il puisse dépendre de l’état initial (comme Co), mais également de l’ensemble des facteurs cinétiques : température, adjuvant… A partir de ces deux grandeurs, on peut essayer de « gommer » les effets de la microstructure initiale et des différences de cinétique chimique en exprimant non plus Cp=f(t), mais Cp/Co=f(t/τ). En superposant sur un même graphique les résultats obtenus pour l’ensemble des formulation testées dans cette thèse et ainsi que ceux obtenus par [Thinet, 2000] (fig. 23.2), on constate que toutes les courbes s’alignent autour d’une seule et même courbe maîtresse. Si l’on normalise de la même manière des courbes obtenues à partir de bétons cellulaires (valeurs brutes tirées de [Villain, 1997]), on constate qu’elles se placent également sur la même courbe maîtresse (fig. 23.2 et 23.3). Ceci montre que tous ces matériaux, malgré leurs différences évidentes de structure granulaire et de cinétique de prise, suivent une évolution mécanique passant par des états intermédiaires à propriétés mécaniques comparables, mais à des instants différents. Ce résultat remarquable généralise les résultats de [Thinet, 2000] à d’autres types de matériaux tels que les mortiers MT (adjuvantés ou non), les MBE, les bétons adjuvantés et les bétons cellulaires. Cette modélisation n’est cependant valable que jusqu’à environ t/τ=3, ce qui représente une durée comprise entre 3 et 10 heures selon les essais et supérieure à 5 heures pour la majorité d’entre eux. Validation par les ondes de cisaillement : L’allure de la courbe d’évolution des vitesses des ondes S est globalement similaire à celle des ondes P, à ceci près que ses valeurs sont toujours inférieures (fig. 23.4). Le calcul des valeurs de τ obtenues avec les ondes S montre alors qu’elles sont proches de celles tirées des ondes P (fig. 23.5). De même que pour les ondes P, on peut exprimer Cs/Cso=f(t/τs) au lieu de Cs=f(t). On retrouve alors l’existence d’une courbe maîtresse (fig. 23.6), ce qui généralise les résultats qu’avait obtenus [Thinet, 2000] sur 4 essais (BSP1-4, ondes S). Cette courbe est cependant moins nette que celle observée sur les vitesses des ondes P. La superposition de l’ensemble des courbes obtenues en ondes P et S conduit à l’obtention d’une unique courbe maîtresse (fig. 23.7).


Fig. 23. 4 : Evolution des vitesses des ondes P (800 Hz) et S (100 Hz) : formulation BT3 B55A2-19

Fig. 23. 5 : Comparaisons des valeurs de τ obtenues sur ondes P et S (en minutes)

Temps caractéristique de prise et degré d’hydratation : L’évolution du rapport t/τ en fonction du degré d’hydratation du ciment α (fig. 23.8) montre que τ et α n’évoluent pas conjointement. τ est donc bien un temps caractéristique de l’évolution des propriétés mécaniques du matériau et non de l’avancement des propriétés chimiques. Même si les propriétés mécaniques dépendent de l’avancement des réactions chimiques, il n’y a donc pas de lien simple permettant de passer des unes aux autres. Cet aspect est cohérent avec les résultats obtenus par [Boumiz, 1995] qui montrent que le seuil de percolation arrive bien après le maximum de conductivité électrique et le début de l’augmentation du flux thermique (cf. fig. 12.12 du §1.2.2.4).

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

C (m

/s)ondes P

ondes S

50

70

90

110

130

150

170

190

210

50 80 110 140 170 200 230

τ ondes P

τ ond

es S

BT6 : B50P5-19

MBE1b : M55-22

BSP4 : B55-27

BT4 : B60R4-18

MT1 : M50-28

BB1 : B55-20

BSP3 : B55-25

BT2 : B60-20

BSP1 : B43-21

MBE2 : M44-23

BT3 : B55A2-19

BB2 : B44-22

BSP2 : B51-21

96

II.3

: C

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3. 6

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])

0510152025

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

t/ τ (S

)

Cs/CsoM

T1S

: M

50-2

8 20

0Hz

BT1

S :

B50

-25

200H

zB

T2S

: B

60-2

0 80

Hz

BT3

S :

B55

A2-

19 1

00H

zB

T4S

B60

R4-

18 8

0Hz

BT4

S :

B60

R4-

18 2

00H

z

BT6

S :

B50

P5-

19 1

00H

zB

T8S

: B

45-2

1 80

Hz

BS

P1S

: B

43-2

1 10

0Hz

BS

P1S

: B

43-2

1 20

0Hz

BS

P2S

: B

51-2

1 20

0Hz

BS

P3S

: B

55-2

5 20

0Hz

BS

P4S

: B

55-2

7 20

0Hz

BB

1S :

B55

-20

200H

zB

B2

: B44

-22

200H

zM

BE

1bS

: M

55-2

2 20

0Hz

MB

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: M

44-2

3 20

0Hz

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23.

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et S

)

C/CoM

T1

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-28

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2 : M

60-2

6M

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24M

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: M60

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24M

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: M50

P4-

25M

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P5-

24B

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2 : B

60-2

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A2-

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: B60

R4-

18B

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: B50

P4-

22B

T6

: B50

P5-

19B

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P4-

21B

T8

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-21

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9 : B

45-2

4B

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60-2

7B

SP

1 B

043-

21B

SP

2 B

051-

21B

SP

3 B

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25B

SP

4 B

055-

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4-10

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10b0

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b06-

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4-30

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30B

B1

: B55

-20

BB

2 : B

44-2

2B

B3

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-25

BD

E1

B04

1-21

BD

E2

B03

5-22

BD

E3

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5-22

BD

E4

B04

1-20

MB

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: M

55-2

4M

BE

1b :

M55

-22

MB

E2

: M44

-23

MB

E3

: M40

-25

MT

1S :

M50

-28

200H

zB

T1S

: B

50-2

5 20

0Hz

BT

2S :

B60

-20

80H

zB

T3S

: B

55A

2-19

100

Hz

BT

4S B

60R

4-18

80H

zB

T4S

: B

60R

4-18

200

Hz

BT

6S :

B50

P5-

19 1

00H

zB

T8S

: B

45-2

1 80

Hz

BS

P1S

: B

43-2

1 10

0Hz

BS

P1S

: B

43-2

1 20

0Hz

BS

P2S

: B

51-2

1 20

0Hz

BS

P3S

: B

55-2

5 20

0Hz

BS

P4S

: B

55-2

7 20

0Hz

BB

1S :

B55

-20

200H

zB

B2

: B44

-22

200H

zM

BE

1bS

: M

55-2

2 20

0Hz

MB

E2S

: M

44-2

3 20

0Hz

BC

-BC

2B

C-S

C2

BC

-CO

M8

BC

-CO

M3

BC

-CO

M4

BC

-CO

M5

BC

-CO

M6

BC

-CO

M7

98

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Fig.

23.

8 :

Lie

n en

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α

0123456 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

α

t/τM

T2 :

M60

-26

MT3

: M

55A

2-24

MT4

: M

60R

4-24

MT5

: M

50P

4-25

MT6

: M

50P

5-24

BT2

: B

60-2

0B

T3 :

B55

A2-

19B

T4 :

B60

R4-

18B

T5 :

B50

P4-

22B

T6 :

B50

P5-

19B

T7 :

B45

P4-

21B

T8 :

B45

-21

BT9

: B

45-2

4B

T10

: B60

-27

BB

1 : B

55-2

0B

B3

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-25

MB

E1a

: M

55-2

4M

BE

2 : M

44-2

3M

BE

3 : M

40-2

5


Reproductibilité et sensibilité de la mesure de la vitesse des ondes P : [Thinet, 2000] a montré que la mesure de Cp sur bétons était reproductible et très sensible à des variations de paramètres tels que le rapport e/c ou la température de coulée. Sensibilité à la température de coulée : (tabl. 23.1) Les courbes d’évolutions des vitesses des ondes P des essais MBE1a et MBE1b (2°C d’écart sur les températures de coulée) sont très proches (fig. 23.9) : l’évolution des propriétés mécaniques est donc moins sensible à la température de coulée que l’évolution de la cinétique chimique. Des écarts sensibles sont en revanche obtenus sur la mesure de τ (écarts de 10 minutes). En règle générale, plus les températures de coulées sont éloignées et plus les temps τ sont distincts (fig. 23.10, tabl. 23.1 : 24 min d’écart pour BT2 et BT10, alors qu’il n’y a que 7°C d’écart de température de coulée). Quant aux valeurs de Co, elles sont très peu sensibles à la température de coulée (la valeur de Co augmente de 13 m/s lorsqu’on passe de BT2 et BT10, ce qui est très faible), puisque liées à l’état initial du matériau.

Fig. 23. 9 : Sensibilité de la vitesse Cp Fig. 23. 10 : Sensibilité de la vitesse Cp

à la température de coulée (MBE) à la température de coulée (bétons BT)

Co (m/s) τ (min) comparé à Co (m/s) τ (min)

MBE1a : M55-24 88 101 MBE1b : M55-22 106 111

BT2 : B60-20 82 98 BT10 : B60-27 95 74

Tabl. 23. 1 : Sensibilité des valeurs de Co et τ à la température de coulée

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cp

(m

/s)

M BE1a : M 55-24

M BE1b : M 55-22

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

Cp

(m

/s)

BT10 : B60-27

BT2 : B60-20


Sensibilité au rapport e/c : Les fig. 23.11 à 23.13 montrent que les courbes d’évolution de la vitesse des ondes P présentent des allures distinctes dès que l’on dépasse un écart de 0,05 sur les valeurs de rapport e/c. Globalement, des valeurs plus faibles de rapport e/c conduisent (tabl. 23.2) à une diminution significative du temps τ et une augmentation de la valeur de la vitesse initiale théorique Co.

Fig. 23. 11 : Sensibilité de la vitesse Cp Fig. 23. 12 : Sensibilité de la vitesse Cp

au rapport e/c (bétons BT, 20-22°C) au rapport e/c (bétons BT, 24-27°C)

Fig. 23. 13 : Sensibilité de la vitesse Cp au rapport e/c (MBE)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cp (

m/s

)

BT9 B45-24

BT1 B50-25

BT10 B60-27

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cp (m

/s)

M BE1a : M 55-24

M BE1b : M 55-22

M BE2 : M 44-23

M BE3 : M 40-25

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

Cp

(m

/s)

BT8 : B45-21

BB2 : B44-22

BB1 : B55-20

BT2 : B60-20


Co (m/s) τ (min)

BB1 : B55-20 118 114

BB2 : B44-22 123 88

BT1 : B50-25 148 95

BT2 : B60-20 82 98

BT8 : B45-21 84 65

BT9 : B45-24 171 93

BT10 : B60-27 95 74

MBE1a : M55-24 88 101

MBE1b : M55-22 106 111

MBE2 : M44-23 63 75

MBE3 : M40-25 38 68

Tabl. 23. 2 : Sensibilité des valeurs de Co et τ au rapport e/c

2.3.1.2 Effet Poisson : rapport de pression P4/P2

L’évolution de cette grandeur au cours du temps présente trois périodes caractéristiques (fig. 23.14, voir aussi fig. 24.8 et 24.9 pour une vue d’ensemble) : un palier, une période décroissante et un second palier, ce qui traduit le passage d’un matériau fluide (contraintes sont isotropes) à un matériau solide (répartition directionnelle des pressions). La transition entre les deux premières périodes (appelée tp, cf. fig. 23.14) est liée à la phase de percolation. Dans la plupart des cas, elle précède légèrement τ (fig. 23.26), ce qui traduit l’idée que la vitesse des ondes P et le rapport de pression P4/P2 ne sont pas sensibles de la même manière à l’évolution mécanique du matériau. De plus, tp est une mesure ponctuelle (dans le temps) alors que τ est une mesure englobant la forme générale de la courbe d’évolution des vitesses des ondes de compression, ce qui peut induire quelques écarts. Le fait que les valeurs initiales soient bien inférieures à 1 (valeur correspondant à un fluide) est dû à l’existence de contacts intergranulaires. Les deux premières phases durent habituellement de 1 à 3 heures selon les formulations (la première phase pouvant durer jusqu’à 5-6 h avec le retardateur de prise). Au bout de 3 à 10 heures survient une phase caractérisée par une quasi absence d’évolution du rapport P4/P2. Les valeurs finales mesurées sont généralement inférieures à 0,1. Un calcul grossier (en négligeant le rôle de la viscosité, voir §1.3.3.3) donne alors des valeurs de coefficient de Poisson inférieures à 0,1. Ces valeurs sont plus faibles que les valeurs finales usuelles (0,2), mais l’ordre de grandeur est cohérent si l’on considère que le béton en fin d’essai n’est pas parfaitement élastique.


Fig. 23. 14 : Evolution typique du rapport de pression P4/P2 (essai BT3 : B55A2-19)

Sensibilité et reproductibilité : [Thinet, 2000] a montré que la mesure du rapport de pression P4/P2 sur béton était reproductible et sensible à des modifications des paramètres de formulations (rapport e/c et température de coulée). D’une manière générale, une diminution de la température de coulée conduit à un étalement des courbes, du fait du ralentissement des réactions d’hydratation, tandis qu’une augmentation du dosage en eau conduit à une augmentation des valeurs initiales du rapport de pression P4/P2. Ces aspects ne sont cependant pas toujours évidents à visualiser sur les courbes (fig. 23.15).

Fig. 23. 15 : Sensibilité vis-à-vis du rapport e/c du rapport de pression corrigé P4/P2

(campagne BT avec d=0 m, cf. p. 58)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

P4/P

2 cor

rigé

BT2 : B60-20BB1 : B55-20BT1 : B50-25BT8 : B45-21BB2 : B44-22BB3 : B40-25

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

P4/P2

valeurs brutes

valeurs corrigées avec d=0mtp


2.3.1.3 Amortissement : rapport de pression P3/P2

On retrouve dans l’évolution de l’amortissement P3/P2 une décomposition en trois périodes (fig. 23.16, voir aussi fig. 24.10 et 24.11). La première, d’une durée de 1 à 3 h (jusqu’à 7 heures avec l’usage de retardateur), est associée à une évolution très lente des valeurs. La seconde correspond à une phase d’augmentation très rapide des valeurs, traduisant le fait que les ondes sont moins amorties du fait du durcissement du matériau. Les valeurs se stabilisent ensuite aux alentours de 1, au bout d’une durée variant de 3 à 12 heures (avec retardateur). Les ondes ne sont alors quasiment plus amorties.

Fig. 23. 16 : Evolution de l’amortissement P3/P2

Reproductibilité et sensibilité : La bonne reproductibilité de cette mesure et sa sensibilité aux paramètres de fabrication (rapport e/c et température de coulée) ont été étudiés sur bétons par [Thinet, 2000]. On vérifie sur la fig. 23.17 qu’une augmentation de la température de coulée conduit à une évolution plus rapide de l’amortissement P3/P2, du fait de l’accélération de la cinétique des réactions d’hydratation. Il faut néanmoins des variations importantes de température, de l’ordre de 10°C, pour induire de fortes variations dans les valeurs mesurées. La fig. 23.18 montre qu’un rapport e/c plus faible conduit à une évolution beaucoup plus rapide du rapport de pression, liée à l’arrivée plus précoce de la phase de percolation.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

P3/P

2

valeurs brutes

valeurs corrigées avec d=20cm


Fig. 23. 17 : Sensibilité à e/c et à la température de coulée Fig. 23. 18 : Sensibilité au rapport e/c

(valeurs corrigées pour d=20 cm, à partir des valeurs non corrigées de [Thinet, 2000])

2.3.1.4 Linéarité du matériau et caractère non-destructif de l’essai

[Thinet, 2000] a testé l’influence d’une variation d’amplitude des signaux émis, en faisant varier l’accélération de la plaque vibrante du Vibroscope. On peut alors vérifier le caractère non destructif de l’essai au Vibroscope en superposant les signaux normalisés (les valeurs ont été divisées par l’amplitude maximale du signal) obtenus sur un capteur donné pour des sollicitations d’amplitude croissante puis décroissante (e. g. : fig. 23.19). Les courbes se superposent alors parfaitement, ce qui justifie le suivi de la prise sur un même échantillon. Ce type d’essai permet également de tester la linéarité du comportement du matériau. Examinons e. g. le cas du capteur P2. Soit P2max l’amplitude maximale du signal reçu en P2, pour une accélération donnée de la plaque vibrante. La fig. 23.20 représente l’évolution de la valeur de P2max en fonction de l’accélération de la plaque vibrante Ao. On constate alors que P2max augmente linéairement lorsque l’accélération de la plaque vibrante augmente, ce qui prouve la linéarité de la réponse du matériau dans la gamme d’accélération testée, autorisant ainsi l’utilisation d’une loi de comportement linéaire. Les essais ont été réalisés pour tous les capteurs du Vibroscope, aussi bien en ondes P qu’en ondes S, à des dates couvrant la totalité de la période suivie par le Vibroscope (t>30 min, temps nécessaire à la mise en place du matériau). L’accélération de la plaque vibrante a varié dans la gamme 0,75-12 m/s² pour les ondes P, 1-20 m/s² pour les ondes S.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

P3/P

2 c

orr

igé

BT8 : B45-21

BT2 : B60-20

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 60 120 180 240temps (min)

P3/P

2 c

orr

igé

b04-10

b04-20

b04-30


Fig. 23. 19 : Superposition des signaux normalisés Fig. 23. 20 : Test de linéarité

(béton courant, 65 min après fabrication) (béton courant, 65 min après fabrication)

2.3.2 Données de l’analyse inverse

2.3.2.1 Normes des modules rhéologiques

De part leur mode de calcul, ces grandeurs (fig. 23.21 et 23.22) suivent globalement la même allure que l’évolution des vitesses des ondes P et S. Le Vibroscope permet de couvrir la totalité de la gamme de valeurs des modules rhéologiques, malgré un facteur multiplicatif pouvant dépasser 103 entre les valeurs initiales et finales. La norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| évolue de 5.106 Pa, en début d’essai, à 2.1010 Pa en fin d’essai. [Boumiz, 1995] obtient sur mortier de béton dégazé (B35, T°C=25°C) des valeurs à 8 h (premières mesures) de l’ordre de 5 GPa, ordre de grandeur cohérent avec les valeurs du Vibroscope qui varient de ≈1 GPa à plus de 10 GPa selon les essais (mesures obtenues au bout de 8h de prise). Quant à la norme du module de cisaillement |N*|, les valeurs obtenues avec le Vibroscope évoluent de 4,4.106 Pa, en début d’essai, à 9,3.109 Pa en fin d’essai. Les valeurs obtenues par [Boumiz, 1995] sur pâte de ciment dégazée (avec e/c=0,3 et T=20°C) sont de l’ordre de 1 GPa au bout de 6 heures de prise, ce qui est à nouveau cohérent avec les mesures du Vibroscope (comprises dans la plupart des cas entre 1 GPa et 5 GPa sur mortiers et bétons).

Fig. 23. 21 : Evolution de la norme Fig. 23. 22 : Evolution de la norme du

du module de oedométrique (échelle log) module de cisaillement (échelle log)

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

5 9 13 17time (ms)

P2/

Pm

ax

Ao = 3 m/s²Ao = 12 m/s²

P2 y = 36,383x + 2,1773R2 = 0,995

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8 10 12

Ao (m/s²)

P2m

ax

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1,0E+11

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

a

BT3 : B55A2-19

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

|N*|

Pa

BT3 : B55A2-19


2.3.2.2 Angles de phase des modules rhéologiques

L’étude de ϕ et ψ montre que ces angles de phase présentent des évolutions conjointes (e. g. fig. 23.23), sans que cela ne soit présupposé dans la modélisation adoptée (cf. §1.3.3.1 : les modules N* et Z* sont supposés complètement indépendants). L’évolution des propriétés en cisaillement du matériau (ψ est l’angle de phase du module de cisaillement N*) se fait donc conjointement à celle des propriétés en compression (ϕ est l’angle de phase du module oedométrique K+Z*+2N*). Les valeurs de ψ sont cependant habituellement inférieures à celles de ϕ, en particulier en début de prise. Les valeurs de l’angle de phase ϕ (e. g.) commencent par augmenter depuis des valeurs comprises entre 20 et 50° jusqu’à des valeurs maximales comprises entre 70 et 90°, ce qui montre que la part visqueuse du milieu augmente initialement plus vite que la part élastique, du fait de la formation d’hydrates en suspension (et donc non encore connectés). Ce point est d’ailleurs confirmé par le fait que la partie imaginaire des modules augmente toujours avant leur partie réelle (e. g. fig. 23.24 et 23.25), aspect lié à la nécessité d’avoir des hydrates en suspension (hausse de la partie imaginaire) pour atteindre la phase de percolation (hausse de la partie réelle). Une fois la phase de percolation passée, certains hydrates vont se réunir en un chemin continu, ce qui conduit à une augmentation rapide de la part élastique. Lorsque celle-ci est suffisamment élevée pour compenser la part visqueuse, les valeurs des angles de phase décroissent. Il faut cependant un certain temps à la part élastique pour compenser la part visqueuse, initialement très élevée, ce qui explique que la fin de la période de croissance des angles de phase soit très en retard par rapport au temps τ (fig. 23.26 et 23.27). La durée de cette période de décroissance des valeurs est sensiblement égale à celle de la période de croissance (habituellement de l’ordre de 2 à 3 h). Les angles de phases évoluent ensuite très lentement, du fait que la viscosité du milieu n’évolue presque plus et que le matériau a déjà développé la majeure partie de ses propriétés élastiques. Les valeurs finales atteintes sont alors de l’ordre de 10-20° : le matériau est donc encore partiellement visqueux.

Fig. 23. 23 : Evolution des angles de phase des modules oedométrique (ϕ) et de cisaillement ( ψ)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

angl

e de p

hase

(°)

phi

psi


Fig. 23. 24 : Comparaison des parties réelles et Fig. 23. 25 : Comparaison des parties réelles et

imaginaires: MT6 M50P5-24 imaginaires : BT7 B45P4-21

L’évolution des angles de phase est donc cohérente avec la notion de phase de percolation. Une synthèse est présentée sur la fig. 23.26, montrant la répartition relative typique des différentes étapes de la prise. L’évolution du rapport de pression P3/P2 y figure à titre indicatif, bien que moins exploitable du fait d’une évolution généralement trop progressive rendant ainsi délicate l’identification des différentes étapes.

Fig. 23. 26 : Modélisation de la prise des bétons et mortiers (dans le cas général)

Un exemple concret est fourni en fig. 23.27 (certaines grandeurs sont normalisées pour éviter la multiplication des échelles).

9,0E+06

2,0E+09

4,0E+09

6,0E+09

8,0E+09

1,0E+10

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

Pa

Re (K+Z*+2N*)

Im (K+Z*+2N*)

8,0E+06

2,0E+09

4,0E+09

6,0E+09

8,0E+09

1,0E+10

1,2E+10

1,4E+10

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

Pa

Re (K+Z*+2N*)

Im (K+Z*+2N*)

Cp

temps

temps

temps

P4/P2

φ

seuil de percolation

solide viscoélastique solide quasi élastique

fluide

P3/P2

temps


Fig. 23. 27 : Comparaison de quelques points caractéristiques BT3

(normalisation par division par la valeur initiale pour P4/P2, par la valeur maximale pour ϕ)

2.3.2.3 Temps caractéristique de prise et modules rhéologiques

En appliquant la même modélisation que dans le §2.3.1.1, on peut vérifier que certaines propriétés de la vitesse des ondes P se retrouvent sur les modules rhéologiques. La normalisation exponentielle, appliquée au module oedométrique |K+Z*+2N*|, au module de cisaillement |N*| et au module |Z*| (fig. 23.28 à 23.30) conduit alors à l’obtention de fuseaux de courbes (les valeurs de τ sont tirées des courbes d’évolution de la vitesse des ondes P). Elles sont cependant plus dispersées que la courbe maîtresse des célérités. La modélisation demeure néanmoins très bonne jusqu’à t/τ=1,5, ce qui représente une durée comprise entre 1,5 et 5 h après l’introduction de l’eau. Ce point avait déjà été vérifié sur 18 formulations par [Arnaud, 2003] pour le module |(a+2b)M*| (équivalent de |Z*+2N*| en modélisation biphasique) en exprimant en échelle logarithmique |(a+2b)M*|/|(a+2b)M*|initial = f(t/τ) au lieu de |(a+2b)M*| = g(t), où τ est tiré des courbes de vitesse des ondes P. Une courbe maîtresse linéaire a alors été obtenue pour t/τ≤3, ce qui représente une durée comprise entre 3 et 10 heures après la fabrication du matériau.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

Cp (m

/s)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

gran

deur

s no

rmal

isée

s

Cp

P4/P2 normalisé

phi normalisé

τ

tϕ tp


Fig. 23. 28 : Fuseau des courbes pour la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*|

Fig. 23. 29 : Fuseau des courbes pour la norme du module viscoélastique |Z*|

0

100

200

300

400

500

600

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

t/τ (P)

|K+Z

*+2N

*|/|K

+Z*+

2N*|o

MT2 : M60-26 MT3 : M55A2-24 MT4 : M60R4-24 MT5 : M50P4-25 MT6 : M50P5-24 BT1 : B50-25 BT2 : B60-20 BT3 : B55A2-19

BT4 : B60R4-18 BT5 : B50P4-22 BT6 : B50P5-19 BT7 : B45P4-21 BT8 : B45-21 BT10 : B60-27 BSP1 B043-21 BSP2 B051-21

BSP3 B055-25 BSP4 B055-27 b04-10 b06-10 b04-20 b06-20 b04-30 b06-30

BB1 : B55-20 BB2 : B44-22 BB3 : B40-25 BDE2 B035-22 BDE3 B055-22

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

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

t/τ (P)

|Z*|/

|Z*|o

,

MT2 : M60-26 MT3 : M55A2-24 MT4 : M60R4-24 MT5 : M50P4-25 MT6 : M50P5-24 BT1 : B50-25 BT2 : B60-20

BT3 : B55A2-19 BT4 : B60R4-18 BT5 : B50P4-22 BT6 : B50P5-19 BT7 : B45P4-21 BT8 : B45-21 BT10 : B60-27

BSP2 B051-21 BSP3 B055-25 BSP4 B055-27 b04-10 b06-10 b04-20 b06-20

b04-30 b06-30 BB1 : B55-20 BB2 : B44-22 BB3 : B40-25


Fig. 23. 30 : Fuseau des courbes pour la norme du module de cisaillement |N*|

2.3.3 Conclusions :

Les différentes grandeurs fournies par le Vibroscope permettent de réaliser un suivi de l’évolution des bétons et mortiers pendant leur prise. L’évolution de toutes les courbes (vitesses : Cp et Cs, effet Poisson : P4/P2, amortissement : P3/P3, angles de phase : ϕ et ψ) est cohérente avec la notion de seuil de percolation. Les différentes moments remarquables identifiées ne coïncident cependant pas toujours, du fait que les mesures ne sont pas toutes sensibles au même moment à une variation de la quantité d’hydrates formés. Une première période d’évolution du matériau, caractérisée par une faible évolution des propriétés mécaniques, correspond à la formation d’hydrates non connectés. Après τ, lié à la phase de percolation, survient une seconde période à évolution beaucoup plus marquée : les hydrates formés viennent alors compléter le réseau percolant, ce qui entraîne une hausse rapide de l’élasticité. La dernière phase correspond à la stabilisation de l’évolution des propriétés mécaniques. L’utilisation de l’allure exponentielle des courbes de vitesse des ondes P permet de définir une vitesse théorique initiale Co ainsi qu’un temps caractéristique de prise τ. Ce temps τ permet l’obtention d’une courbe maîtresse pour l’évolution des célérités des ondes P et S au cours du temps, il permet également de regrouper dans un même fuseau les courbes d’évolution des modules oedométrique et de cisaillement. Les matériaux testés passent ainsi par des structures à propriétés mécaniques identiques, mais à des dates différentes. La linéarité du béton et le caractère non destructif de l’essai au Vibroscope sont prouvés pour la gamme de sollicitations utilisées. Il est donc possible de réaliser un suivi de la prise au moyen du Vibroscope sur un échantillon unique et d’utiliser une loi de comportement linéaire pour mener l’analyse inverse.

0

200

400

600

800

1000

1200

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

t/τ (P)

|N*|/

|N*|o

. MT2 : M60-26 MT3 : M55A2-24 MT4 : M60R4-24 MT5 : M50P4-25 MT6 : M50P5-24 BT1 : B50-25 BT2 : B60-20

BT3 : B55A2-19 BT4 : B60R4-18 BT5 : B50P4-22 BT6 : B50P5-19 BT7 : B45P4-21 BT8 : B45-21 BT10 : B60-27

BSP1 B043-21 BSP2 B051-21 BSP3 B055-25 BSP4 B055-27 b04-10 b06-10 b04-20

b06-20 b04-30 b06-30 BB1 : B55-20 BB2 : B44-22 BB3 : B40-25

Chapitre II : Etude du Comportement des Bétons et des Mortiers 111

2.4 ETUDE DES BETONS ET DES MORTIERS ADJUVANTES

Dans cette partie, les différentes formulations adjuvantées sont comparées entre elles et avec leur formulation de référence, de manière à évaluer le rôle des adjuvants. La sensibilité des mesures du Vibroscope aux adjuvants sera étudiée, ce qui permettra de déceler les mesures les plus utiles. Les résultats présentés concernent les mesures thermiques (T°C), les mesures réalisées avec le Vibroscope (vitesses : Cp et Cs, amortissement : P3/P2, effet Poisson : P4/P2), ainsi que les modules oedométrique (K+Z*+2N*) et de cisaillement (N*) déduits de ces mesures par analyse inverse.

2.4.1 Suivi de l’évolution de la température

Les courbes d’évolution des températures des bétons BT et mortiers MT sont présentées sur les fig. 24.1 et 24.2. Les valeurs théoriques des températures maximales développées par les matériaux testés (en occultant le rôle chimique des adjuvants et en négligeant leur masse) sont présentées sur le tabl. 24.1. La chaleur d’hydratation du ciment a été prise égale à 195 kJ/kg (valeur du fabricant), les capacités calorifiques sont prises respectivement égales à 670 J/kg/K pour le ciment (valeur du clinker), 755 J/kg/K pour les granulats (valeur de la silice), 4180 J/kg/K pour l’eau et 1000 J/kg/K pour l’air. Les masses d’air ont été estimées en prenant une masse molaire de 29 g/mol et un volume molaire de 24 l/mol (valeur à 20°C, sous 1 atmosphère). Rôle des adjuvants : La comparaison des courbes des mortiers adjuvantés avec celle du mortier de référence MT2 (fig. 24.2) montre que :

• l’entraîneur d’air n’a aucun effet sur l’évolution des températures, les écarts entre les courbes correspondant aux écarts théoriques dus à une modification de la température de coulée.

• le plastifiant P4 provoque un retard de prise très net puisque l’évolution de la courbe de l’essai MT5 est très retardée par rapport à celle de l’essai de référence MT2, alors que le rapport e/c passe de 0,60 à 0,50 (ce qui aurait dû accélérer la prise).

• on obtient un retard identique en augmentant le dosage (P5). Les évolutions des courbes des formulations MT5 et MT6 sont en effet cohérentes avec l’écart de 1°C sur les températures initiales.

• la courbe avec retardateur de prise est considérablement retardée par rapport à celle de la formulation de référence, malgré la valeur inférieure du rapport e/c. La différence de température de coulée n’expliquant pas à elle seule ces écarts, il faut donc conclure que le retardateur de prise a bien provoqué un retard de la cinétique des réactions d’hydratation du ciment (comme prévu !).

112 II.4 : Etude des Bétons et des Mortiers Adjuvantés

Fig. 24. 1 : Evolution des courbes de température (campagne BT)

Fig. 24. 2 : Evolution des courbes de température (campagne MT)

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

temps (heures)

tem

péra

ture

s (°

C)

BT1 : B50-25BT2 : B60-20BT3 : B55A2-19BT4 : B60R4-18BT5 : B50P4-22BT6 : B50P5-19BT7 : B45P4-21BT8 : B45-21BT9 : B45-24BT10 : B60-27

3°C d’écart

0,05 d’écart en e/c

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12

temps (heures)

Tem

péra

ture

s (°

C)

MT2 : M60-26

MT3 : M55A2-24

MT4 : M60R4-24

MT5 : M50P4-25

MT6 : M50P5-24


Tabl. 24. 1 : Calcul des températures finales (masse pour 1m3, en prenant en compte le volume d’air)

Pour ce qui est des bétons (fig. 24.1) :

• l’écart constaté entre la formulation de référence et celle avec entraîneur d’air ne peut pas être simplement dû à la différence de température de coulée, et ce d’autant plus que la variation du rapport e/c aurait tendance à accélérer les phénomènes de prise. L’écart est donc induit par l’entraîneur d’air, bien que le mécanisme demeure inexpliqué.

• l’usage du plastifiant P4 conduit à un retard de la cinétique de prise puisque la température évolue alors de manière très proches de celles de la formulation de référence, alors que le rapport e/c est plus faible et que la température de coulée est plus élevée. On retrouve cet effet, très marqué, avec la courbe de l’essai BT6 (P5).

• comme pour les mortiers, le retardateur conduit à un retard très marqué de la cinétique de prise.

Les principales différences observées entre bétons et mortiers concernent donc les effets de l’entraîneur d’air.

Nom de l’essai teneur en air occlus

%

ciment (kg)

gravier(kg)

sable (kg)

eau (kg)

air (kg)

Tc (°c)

température finale calculée

(°C)

température finale mesurée

(°C) BT1 : B50-25 4,0 371 1043 696 185 0,05 25,3 56,2 45,1 BT2 : B60-20 1,0 376 1023 682 226 0,01 20,0 49,5 47,9

BT3 : B55A2-19 4,5 363 1016 677 200 0,05 18,7 48,7 42,2 BT4 : B60R4-18 0,9 377 1024 683 226 0,01 17,8 47,3 45,9 BT5 : B50P4-22 2,4 371 1068 712 185 0,03 21,8 52,3 48,1 BT6 : B50P5-19 2,5 371 1067 711 185 0,03 18,9 49,4 42,9 BT7 : B45P4-21 2,4 360 1110 740 163 0,03 21,0 51,3 46

BT8 : B45-21 1,8 373 1104 736 168 0,02 21,3 52,4 47,2 BT9 : B45-24 2,6 370 1095 730 167 0,03 23,6 54,7 52,1

BT10 : B60-27 1,0 376 1023 682 226 0,01 27,2 56,7 50,7 MT1 : M50-28 1,5 380 0 1784 190 0,02 28,0 58,9 41,9 MT2 : M60-26 6,0 357 0 1620 214 0,07 26,4 55,9 44,3

MT3 : M55A2-24 14,8 318 0 1525 175 0,18 24,1 53,7 42,1 MT4 : M60R4-24 8,1 349 0 1583 210 0,10 23,8 53,3 41,8 MT5 : M50P4-25 8,2 349 0 1674 174 0,10 25,2 55,7 43,5 MT6 : M50P5-24 19,7 305 0 1464 153 0,24 23,9 54,4 43


Remarques : Rôle de la température de coulée Tc : Plus la température de coulée est élevée et plus les réactions chimiques de prise sont accélérées, d’où une élévation plus importante de la température du matériau pendant sa prise. Des températures de coulées proches mais néanmoins distinctes de 3-4°C (fig. 24.1 : BT8 et BT9) produisent ainsi des écarts significatifs sur les évolutions des températures. Rôle de la teneur en air : L’air intervient en modifiant les proportions de ciment, d’eau et de granulats, car il n’est pas pris en compte dans les calculs de formulations. Le tabl. 24.1 montre cependant qu’il joue un rôle thermique négligeable, point confirmé par les évolutions quasi parallèles des courbes de température des matériaux MT2 et MT3 dont les écarts s’expliquent par la seule différence de température de coulée (écart final théorique ou mesuré de 2,2°C). Rôle du rapport e/c : Le rôle thermique théorique d’une variation de rapport e/c, en travaillant à c constant, est évalué par BT5 et BT7 (tabl. 24.1), ou encore par BT2 et BT8. Les valeurs finales de température théorique restent alors très proches, tandis que le rapport e/c varie de 0,05, point confirmé expérimentalement (fig. 24.1 : BT5 et BT7). Les allures des courbes correspondantes sont cependant distinctes, ce qui montre que si un changement de rapport e/c ne modifie pas le dégagement de chaleur total, il modifie la cinétique de prise de manière d’autant plus importante que les écarts sur e/c sont grands (cf. fig. 24.1 : BT1 et BT10).

2.4.2 Vitesse des ondes de compression

Les courbes d’évolution des célérités des ondes P sont présentées sur les fig. 24.4 et 24.5, les valeurs du temps caractéristique de prise τ sur la fig. 24.3. Les évolutions sont très distinctes selon la formulation considérée, ce qui montre que les mesures sont sensibles aux adjuvants.

Fig. 24. 3 : Valeurs de τ (campagnes BT - MT)

98106

127

172

217

130 133

112

172

204

70

90

110

130

150

170

190

210

230

référence P4 A P5 R

τ (m

in)

bétonsmortiers

C

hapi

tre II

: Et

ude

du C

ompo

rtem

ent d

es B

éton

s et d

es M

ortie

rs

115

Fig.

24.

4 :

Evo

lutio

n de

s cou

rbes

de

vite

sse

des o

ndes

P (c

ampa

gne

BT

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

060

120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

tem

ps (m

in)

Cp (m/s)BT

2 : B

60-2

0BT

3 : B

55A2

-19

BT4

: B60

R4-

18BT

5 : B

50P4

-22

BT6

: B50

P5-1

9BT

7 : B

45P4

-21

116

II.4

: Et

ude

des B

éton

s et d

es M

ortie

rs A

djuv

anté

s

Fig.

24.

5 :

Evo

lutio

n de

s cou

rbes

de

vite

sse

des o

ndes

P (c

ampa

gne

MT

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

060

120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

780

tem

ps (m

in)

Cp (m/s)M

T2 :

M60

-26

MT3

: M

55A2

-24

MT4

: M

60R

4-24

MT5

: M

50P4

-25

MT6

: M

50P5

-24


Pour les mortiers, l’étude des fig. 24.3 et 24.5 montre que : • les courbes associées à l’entraîneur d’air (MT3) et à la formulation de référence (MT2)

évoluent conjointement. Aucune modification sensible des valeurs de τ n’est observée : τ vaut ainsi 112 min pour MT3 (e/c=0,55) et 130 min pour MT2 (e/c=0,60, donc plus élevé, ce qui fait augmenter légèrement la valeur de τ). On peut seulement noter un léger écart dans les valeurs initiales, imputable aux écarts de teneurs en air occlus.

• l’usage du plastifiant P4 donne une l’évolution de vitesse proche de celle de la formulation de référence (allures des courbes proches ; τ vaut 133 min pour MT5, 130 min pour MT2), alors que le rapport e/c est beaucoup plus faible pour MT5 que pour MT2. Ceci montre que le plastifiant a considérablement retardé l’évolution de la rigidité du milieu. Ce retard semble être dû aux modifications des cinétiques de prise, déjà observées sur les températures. On observe cependant un retard beaucoup plus important pour les essais MT5 (τ=133 min) et MT6 (τ=172 min), non explicable par le seul écart de température de coulée de 1°C.

• le retardateur de prise conduit à un retard très net du temps caractéristique τ (204 min pour MT4, 130 min pour MT2), de l’ordre de grandeur de celui observé sur les courbes de température.

Pour ce qui est des bétons (fig. 24.3, 24.4) :

• l’entraîneur d’air conduit à un retard significatif de la prise (τ=127 min pour BT3, 98 min pour BT2) imputable aux différences d’histoires thermiques.

• le retard de prise dû à l’usage de plastifiant P4 (BT5 et BT7) n’est plus décelable (BT2 : τ=98 min, BT5 : τ=106 min, BT7 : τ=104 min ; allure des courbes très en avance pour BT5-BT7) car entièrement masqué par la diminution du rapport e/c. L’augmentation du dosage en plastifiant (BT6) conduit à un retard de prise beaucoup plus marqué (τ=172 min pour BT6, 106 min pour BT5), malgré la conservation du rapport e/c. Ce point est en partie explicable par la différence de comportement thermique (voir les écarts observées sur les fig. 22.6 et 22.7 du §2.2.2.1).

• le retardateur de prise conduit à un retard significatif du temps τ (217 min pour BT4, 98 min pour BT2). La courbe de BT4 est globalement beaucoup plus retardée par rapport à BT2 que ce qui avait été observé sur les températures (fig. 24.1), ce qui montre que, même si la formation d’hydrates est tributaire des réactions chimiques, les cinétiques des réactions chimiques peuvent être différentes de celles régissant l’évolution des propriétés mécaniques du milieu.

Les résultats précédents sont confirmés par l’étude des ondes de cisaillement (fig. 24.6 et 24.7), pour ce qui est de l’allure des courbes, de leur position relative et des mesures de τ.


Fig. 24. 6 : Vitesses des ondes S (campagne BT) Fig. 24. 7 : Comparaison des valeurs de τ en ondes P et S

Cohérence vis-à-vis des essais présentés par [Grosse & Reinhardt, 2001] : Les essais MT2 à MT5 ont fait l’objet d’essais croisés entre le Vibroscope et le FreshCon Device (fig. 12.17 du §1.2.2.4 : l’essai RE3 correspond à MT2, RE6 à MT3, RE5 à MT4 et RE4 à MT5). Si l’on compare les résultats obtenus au moyen des deux dispositifs, on observe dans les deux cas la grande proximité des courbes des essais MT2, MT3 et MT5. En revanche, les niveaux obtenus pour les deux dispositifs sont différents : la vitesse à 420 min est de 2000 m/s pour le Vibroscope, alors qu’elle avoisine les 2800 m/s avec le FreshCon Device. De même, τ est compris entre 112 min et 133 min pour les essais aux Vibroscope, alors que le moment où l’on observe une augmentation rapide des célérités obtenue avec le FreshCon survient au bout d’environ 100 min. Ces différences restent pour l’heure inexpliquées, d’autant plus que les valeurs obtenues avec le Vibroscope présentent une très bonne cohérence avec celles du dispositif ultrasonore (§1.3.2.2). On retrouve par contre le très fort retard dû à l’usage d’un retardateur de prise, même si les niveaux diffèrent.

2.4.3 Evolution des rapports de pression

En ce qui concerne le rapport de pression P4/P2 lié à l’effet Poisson, les fig. 24.8 et 24.9 montrent que :

• les allures générales présentent des différences nettes selon l’adjuvant utilisé. Les courbes sont ainsi plus ou moins étalées et les valeurs initiales sont très différentes, bien que les compositions aient été déterminées de manière à conserver la même fluidité initiale.

• on retrouve pour les mortiers (fig. 24.9) le retard de prise induit par les plastifiants (MT2 et MT5), malgré la diminution du rapport e/c. Ce retard augmente avec le dosage (MT5 et MT6). Le plateau initial est ainsi plus long, tandis que le reste de la courbe évolue normalement : on observe donc un maintien rhéologique initial dû au plastifiant. Cet aspect est beaucoup moins net pour les bétons (fig. 24.8).

127

139

189

141

98

127

217

172

70

90

110

130

150

170

190

210

230

BT2 : B60-20 BT3 : B55A2-19 BT4 : B60R4-18 BT6 : B50P5-19

τ (m

in)

ondes Sondes P

0

400

800

1200

1600

2000

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660

temps (min)

Cs (

m/s

)

BT2S B60-20 80Hz

BT3S B55A2-19 100Hz

BT4S B60R4-18 80Hz

BT6S B50P5-19 100Hz


• on retrouve sur bétons et mortiers l’action du retardateur de prise. La courbe est alors retardée dans toutes ses parties (la diminution du rapport P4/P2 survient plus tardivement et dure plus longtemps), ce qui montre qu’il y a un ralentissement général et durable de l’ensemble des réactions de prise, et pas seulement un long maintient rhéologique initial.

L’étude de l’amortissement P3/P2 montre dans le cas des mortiers (fig. 24.11) que :

• les trois adjuvants donnent des courbes dans des domaines très distincts, ce qui traduit des différences nettes dans la cinétique de l’évolution de l’amortissement P3/P2.

• la courbe avec entraîneur d’air (MT3) ne diffère de celle de la formulation de référence (MT2) qu’en début de prise. Cet effet s’estompe ensuite progressivement du fait de la solidification de la pâte.

• la courbe du plastifiant P4 (MT5) est nettement retardée par rapport à celle de la formulation de référence (MT2), malgré la diminution du rapport e/c. Ceci montre que, malgré des valeurs initiales un peu élevées de l’amortissement P3/P2, l’usage de plastifiant retarde la diminution de l’amortissement du milieu (voir MT2, MT5 et MT6). L’augmentation du dosage (MT6) conduit cependant à l’obtention d’une courbe très proche de celle de MT5.

• le retardateur de prise conduit à une évolution très lente de l’amortissement P3/P2.

Fig. 24. 8 : Evolution du rapport de pression P4/P2 (campagne BT : valeurs calculées avec d=0 m)

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temps (min)

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Fig. 24. 9 : Evolution du rapport de pression P4/P2 (campagne MT : valeurs calculées avec d=0 m)

Dans le cas des bétons (fig. 24.10) :

• les courbes diffèrent selon le type d’adjuvant utilisé. • le décalage observé entre les courbes des essais BT2 (référence) et BT3 (A) s’explique

par la différence d’histoire thermique des deux matériaux. • l’usage de plastifiant conduit à un retard (BT2 et BT5) dans l’évolution de

l’amortissement du matériau mais, à la différence des mortiers, l’effet augmente avec le dosage (cf. BT5 et BT6). Les retards observés sont cependant cohérents avec ceux constatés sur les courbes d’évolution des températures.

• le retardateur retarde le déroulement de la prise jusqu’au début de la croissance du rapport de pression. La courbe croît ensuite de manière analogue à ce que l’on peut observer sur les autres essais. Tout se passe donc comme s’il y avait eu un maintien de l’amortissement initial, suivi d’une évolution standard des propriétés d’amortissement : on observe donc un retard dans la survenue de la phase de percolation.

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Fig. 24. 10 : Evolution de l’amortissement P3/P2 corrigé (campagne BT : d=20 cm)

Fig. 24. 11 : Evolution de l’amortissement P3/P2 corrigé (campagne MT : d=20 cm)

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2.4.4 Modules rhéologiques

Cette partie traite essentiellement du module oedométrique K+Z*+2N*, le module de cisaillement N* présentant des évolutions très proches (les courbes correspondantes sont en annexe 2, fig. A2.7 à A2.10). Les fig. 24.12 à 24.15 présentent l’évolution de la norme et de l’angle de phase ϕ du module oedométrique pour les bétons et mortiers. Ces grandeurs présentent des évolutions intimement liées à celles des grandeurs dont elles sont tirées (vitesse Cp, amortissement P3/P2 et rapport de pression P4/P2 lié à l’effet Poisson) et sont très sensibles à la présence d’adjuvant. Les figures 24.16 à 24.19 présentent la décomposition en partie réelle (propriétés élastiques) et imaginaire (propriétés visqueuses) du module oedométrique K+Z*+2N*. Remarques préliminaires relatives aux courbes : Les valeurs obtenues pour l’angle de phase ϕ de l’essai BT4 entre 332 min et 494 min dépassant légèrement 90°, elles ont été fixées à 89° pour permettre la représentation de la courbe et le calcul du module oedométrique. La décroissance de la partie réelle associée à l’essai MT5 s’explique par des valeurs de phase proches de 90°, associées à des écarts éventuels dans la mesure de l’amortissement P3/P2 (la mesure est en fait très sensible). La partie imaginaire est encore plus sensible à de faibles écarts de valeurs dans les données de base, ce qui explique la fin de la courbe d’évolution de BT8 et le fait que la fin de courbe de l’essai MT2 ait été tronquée. Cas de l’entraîneur d’air : En ce qui concerne les mortiers, la courbe d’évolution de la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| de l’essai MT3 (A) est très proche de celle de l’essai MT2 (référence). Elle n’en diffère qu’au début où elle présente des valeurs plus faibles, du fait de l’augmentation de la compressibilité liée à une présence d’air supplémentaire. Les courbes d’évolution de l’angle de phase ϕ présentent également des allures très proches (écarts marqués uniquement en début et en fin de prise, même date de renversement de tendance tϕ), de même que les évolutions des parties réelles et imaginaires. Dans le cas des bétons, les courbes d’évolution de la norme et de l’angle de phase de l’essai BT3 (A) sont distinctes de celles de l’essai BT2 (référence), aspect qui s’explique par la différence d’histoire thermique des deux matériaux testés. On peut simplement remarquer que les valeurs initiales de la norme sont plus faibles pour le matériau contenant le plus d’air, du fait de l’augmentation de la compressibilité du milieu. Cet écart entre les courbes des essais BT2 et BT3 se retrouve à la fois sur les parties réelle et imaginaire.

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Cas du plastifiant : En ce qui concerne les mortiers, l’étude de la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| montre que le plastifiant a retardé le déroulement de la prise. Ainsi, la courbe de l’essai MT5 (P4) est décalée par rapport à celle de l’essai MT2 (référence), alors que le rapport e/c est plus élevé et va donc dans le sens d’une accélération de la prise. Ce point n’était d’ailleurs pas aussi évident sur les courbes de célérité, qui étaient confondues. L’augmentation du dosage, à e/c constant, conduit également à un retard déjà observé sur les courbes de vitesse. Les courbes d’évolution des angles de phase sont également nettement décalées (en temps et en amplitude) par rapport à la formulation de référence, ce décalage augmentant avec le dosage (fig. 24.15 : MT5 et MT6). L’étude des fig. 24.18 et 24.19 montre que le retard de prise affecte à la fois les parties réelles et imaginaires, mais que c’est la partie réelle qui est la plus nettement retardée. Il existe donc bien un retard mécanique correspondant à un établissement plus lent des liaisons intergranulaires. L’augmentation de dosage (MT5-MT6) conduit essentiellement à une diminution de la viscosité du milieu. En ce qui concerne les bétons, on retrouve l’effet retardant du plastifiant, mais en moins marqué. Les courbes de la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| des formulations BT5 et BT7 (P4) devancent ainsi celle de la formulation de référence (BT2), mais pas autant que la courbe de référence ayant même e/c et même température de coulée (BT8). L’adjuvant a donc bien conduit à un retard de la prise. Ce point est moins net avec les angle de phase, du fait de l’étalement du sommet des courbes. On retrouve cependant un retard plus marqué pour la partie réelle du module, comparativement à la partie imaginaire. Comme pour les mortiers, l’augmentation du dosage en plastifiant à e/c constant (BT5-BT6) se traduit par un retard plus important et surtout par une très forte diminution de la viscosité du milieu. Cas du retardateur de prise : Le retard dû à l’emploi de cet adjuvant apparaît nettement sur l’ensemble des courbes présentées, pour les bétons (BT2 et BT4) comme pour les mortiers (MT2 et MT4). Seule la courbe de l’angle de phase du mortier MT2 semble surprenante du fait de valeurs finales très élevées traduisant un milieu très visqueux, bien qu’étant déjà solide. Le retard est beaucoup plus marqué pour les parties réelles que pour les parties imaginaires du module oedométrique K+Z*+2N*. En fait, tout se passe comme si le retard dû au ralentissement des réactions chimiques (cf T°C) se traduisait par un retard plus important de la formation d’hydrates en suspension (d’où un retard de la partie imaginaire), donnant lui-même un fort retard dans la réalisation de liaisons intergranulaires (retard de la partie réelle), ce qui est conforme aux attentes.

128

II.4

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Remarque relative aux retards de prise dus aux adjuvants : Les fig. 24.20 et 24.21 présentent l’évolution de la partie imaginaire du module oedométrique Im(K+Z*+2N*) exprimée en fonction de la partie réelle Re(K+Z*+2N*), de manière à « gommer » le paramètre « temps ». Dans le cas des mortiers (fig. 24.21), la courbe de l’essai MT2 (référence) est très proche de celle de l’essai MT3 (A), ce qui est cohérent avec le fait que l’entraîneur d’air n’a pas conduit à un retard de prise. En revanche, les courbes des plastifiants (MT5 et MT6) et du retardateur de prise (MT4) sont nettement différentes les unes des autres, mais aussi distinctes des courbes des essais MT2 et MT3. Il y a donc, pour ces trois essais, modification du déroulement général de la prise et pas simple retard de prise (un simple retard ayant conduit à l’obtention d’une courbe identique).

Fig. 24. 20 : Parties imaginaire et réelle de K+Z*+2N* (campagne BT)

Fig. 24. 21 : Parties imaginaire et réelle de K+Z*+2N* (campagne MT)

On retrouve sur béton la proximité des courbes obtenues pour la formulations de référence (BT2), pour entraîneur d’air (BT3) mais également pour le plastifiant P5 (BT6). Les différences observées sur la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| étaient donc dues à

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R e (K +Z *+2N *) P a

Im (K

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M T 3 : M 5 5A 2 -2 4

M T 4 : M 6 0R 4 -2 4

M T 5 : M 5 0P 4 -2 5

M T 6 : M 5 0P 5 -2 4


de simples retards de prise. Les courbes des plastifiants P4 (BT5 et BT7) sont distinctes de celle de la formulation avec retardateur de prise (BT4) et de l’ensemble référence (BT2) - entraîneur d’air (BT3) - plastifiant P4 (BT6) : il ne s’agit donc plus, dans ce cas, d’un simple retard. Ces modifications surviennent après environ 4 heures de prise (jusqu’à 8 heures pour les retardateurs de prise), moment où la modélisation exponentielle ne permet plus l’obtention d’un fuseau étroit pour la courbe maîtresse.

2.4.5 Conclusions

Le point majeur de cette étude est de montrer qu’il est possible de suivre la prise de mortiers et surtout de BETONS adjuvantés, suivi habituellement difficile à réaliser. Les mesures effectuées (vitesses : Cp et τ, Cs, amortissement : P3/P2, effet Poisson : P4/P2) sont sensibles à la présence d’adjuvants, ainsi qu’à leur dosage. L’étude des modules viscoélastiques permet d’avoir une meilleure compréhension des phénomènes impliqués. Ainsi, l’usage de l’entraîneur d’air n’a conduit à aucune modification significative de la prise. L’usage de plastifiant s’est toujours traduit par un ralentissement de l’ensemble de la prise. Ce ralentissement affecte toutes les grandeurs suivies et augmente avec le dosage. Il est plus marqué sur les parties réelles des modules viscoélastiques que sur les parties imaginaires, ces dernières étant elles-mêmes plus ralenties que l’évolution de la courbe de température. Ceci traduit le fait qu’il y a bien un ralentissement de la cinétique des réactions d’hydratation, ralentissement se répercutant avec des délais de plus en plus longs aux différents phénomènes qui en dépendent. Ainsi, la température évolue plus vite que la partie imaginaire car elle traduit la formation d’hydrates alors que la partie imaginaire est liée à l’augmentation de viscosité du milieu, dépendant de la formation d’hydrates mais ne variant pas forcément linéairement avec elle. Il en va de même pour la partie réelle (traduisant la formation de liaisons) qui évolue en début d’essai moins vite que la partie imaginaire (viscosité liée à la formation d’hydrates) : il faut en effet former des hydrates en suspension pour réaliser des liaisons mais la relation entre ces deux phénomènes n’est a priori pas non plus linéaire. L’étude a également montré que le retard occasionné par les plastifiants n’est pas qu’un simple « maintien-rhéologique » : il y a bien une modification de l’évolution des grandeurs rhéologiques, vraisemblablement liée à une modification de la chimie de la prise. Le retardateur de prise conduit également à un retard visible sur l’ensemble des grandeurs suivies. Comme pour les plastifiants, certaines mesures montrent que ce retard ne devait pas être considéré comme un simple retard de prise et qu’il y a bien modification du déroulement général de la prise. L’existence de chemins différents sur les courbes en parties imaginaires et réelles des modules rhéologiques montre que ces modifications sont de nature différente pour les deux types d’adjuvants. Enfin, il apparaît que l’impact des différents adjuvants est plus marqué sur les mortiers que sur les bétons (toutes choses égales par ailleurs). Ces différences de comportement sont vraisemblablement liées à la plus ou moins grande adsorption de l’adjuvant sur les granulats.

134 II.5 : Liens entre Bétons et Mortiers

2.5 LIENS ENTRE BETONS ET MORTIERS

Dans cette partie, nous étudierons la possibilité de caractériser les modifications du déroulement de la prise liées au passage d’un béton à son mortier associé. L’étude portera tout d’abord sur les relations unissant les bétons BB et les MBE. Les liens existant entre les bétons BT et les mortiers MT seront ensuite abordés dans un second temps. Enfin, une dernière partie sera consacrée aux relations existant entre les mortiers MT et les MBE.

2.5.1 Etude comparée des bétons BB et des MBE

Trois formulations seront testées : la formulation1 (BB1, MBE1a et MBE1b) avec un rapport e/c élevé (0,55), la formulation2 (BB2 et MBE2) avec un rapport e/c de 0,44 et la formulation3 (BB3 et MBE3) à rapport e/c très bas (0,4). Les résultats de l’essai BB3 n’ayant pas pu être exploités, ils seront remplacés par ceux de l’essai BT9, de composition proche. L’étude portera sur le suivi des températures ainsi que sur l’étude de la vitesse des ondes de compression et de cisaillement et du rapport de pression P4/P2 (effet Poisson). Des défauts d’étanchéité des capteurs ayant rendu inutilisables les mesures de niveau des signaux enregistrés sur le capteur P3, l’amortissement P3/P2 n’a pas pu être obtenu pour les MBE. L’amortissement Ploin/Pprès, obtenu à partir des ondes S, n’a pas non plus pu être exploité.

2.5.1.1 Suivi des températures :

Les courbes d’évolution des températures des bétons et MBE sont présentées sur les fig. 25.1 à 25.3. Malgré la sous-estimation des valeurs obtenues sur mortier (cf. §2.2.2.1), les courbes des bétons présentent toujours des valeurs très inférieures à celles des MBE associés, point cohérent avec le fait que la capacité calorifique globale est plus faible pour les MBE que pour les bétons BB, à quantité de ciment égale. Il y a donc bien une thermoactivation de la prise plus importante pour les MBE que pour les bétons BB, ce qui aura des conséquences sur l’évolution des propriétés mécaniques.


Fig. 25. 1 : Evolution des températures au cours du temps (formulation1)



20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12

temps (heures)

tem

péra

ture

s (°C

)

M BE2 M 44-23

BB2 B44-22

25

30

35

40

45

50

55

60

0 2 4 6 8 10 12 14

temps (heures)

tem

péra

ture

s (°C

)

M BE3 M 40-25BT9 B45-24

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 5 10 15

temps (heures)

tempé

ratur

es (°

C)M BE1a M 55-24

M BE1b M 55-22

BB1 B55-20


2.5.1.2 Etude de la vitesse de propagation des ondes P et S

τ : min comparé à τ : min

MBE1a : M55-24 101 BB1: B55-20 114

MBE1b : M55-22 111 BB1: B55-20 114

MBE2 : M44-23 75 BB2 : B44-22 88

MBE3 : M40-25 68 BT9 : B45-24 93 BT5 : B50P04-22 106 BT7 : B45P04-21 104

Tabl. 25. 1 : Comparaison des valeurs du temps τ

L’étude de la fig. 25.4 montre que les courbes d’évolution de la vitesse des ondes P sont très proches pour les essais BB1, MBE1a et MBE1b, l’éloignement relatif de la courbe de l’essai MBE1a étant dû à des différences d’évolution des températures (fig. 25.1 : MBE1a et MBE1b). On retrouve cette proximité dans l’évolution mécanique à travers l’étude du temps τ, qui est très proche pour les 3 matériaux (tabl. 25.1 ; MBE1a : 101 min mais température de coulée plus élevée, MBE1b : 111 min, BB1 : 114 min). En ce qui concerne la formulation2, la courbe d’évolution de la vitesse des ondes P de l’essai BB2 est en avance par rapport à celle de l’essai MBE2 (fig. 25.5), point cohérent avec les écarts de valeurs obtenus pour τ (tabl. 25.1 : 75 min pour le MBE2, 88 min pour le BB2). L’étude de la fig. 25.6 montre que les courbes d’évolution des vitesses des ondes P sont très éloignées pour le béton BT9 et le MBE3, aspect confirmé par les valeurs de τ qui sont très distinctes : 68 min pour le MBE3 et 93 min pour le BT9. Il faut cependant mentionner que le béton BT9 a un rapport e/c de 0,45 au lieu de 0,4 (valeur du MBE3) : les écarts observés sur l’allure des courbes sont donc sous-estimés par rapport à ce que l’on aurait obtenu sur deux matériaux strictement équivalents. L’écart observé sur les valeurs de τ n’est pas entièrement explicable par cette simple variation de rapport e/c (voir par exemple les valeurs obtenues pour BT5 et BT7 dans le tabl. 25.1, essais différant essentiellement par une variation de 0,05 du rapport e/c) : le retard de prise est donc dû à la différence d’arrangement granulaire. Les courbes d’évolution de la vitesse des ondes P sont donc d’autant plus proches entre bétons et MBE que la formulation est fluide. La fig. 25.7 montre qu’il n’y pas de lien général entre les valeurs des bétons et MBE associés. On peut tout au plus dire que les valeurs des temps τ des MBE sont toujours plus faible que celles des bétons associés, aspect lié à l’évolution plus rapide des températures des MBE par rapport aux bétons (si les hydrates se forment plus vite, la phase de percolation sera avancée, toutes choses égales par ailleurs).


Fig. 25: 4 : Evolution des courbes de vitesse des ondes P (formulation 1)

Fig. 25. 5 : Evolution des courbes de vitesse des ondes P (formulation 2)

Fig. 25. 6 : Evolution des courbes de vitesse des ondes P (formulation 3)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cp (m

/s)

BB2 : B44-22

M BE2 : M 44-23

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300

temps (min)

Cp (m

/s)

BT9 : B45-24

M BE3 : M 40-25

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cp (m

/s)BB1 : B55-20

M BE1a : M 55-24

M BE1b : M 55-22


Fig. 25. 7 : Comparaison des valeurs de τ des bétons et MBE associés

Validation au moyen des ondes de cisaillement : Sur les fig. 25.8 et 25.9 sont présentées les évolutions des vitesses des ondes S pour les formulations 1 (MBE1b et BB1) et 2 (MBE2 et BB2). Le MBE3 et le MBE1a n’ont pas pu être testés, les signaux enregistrés lors de l’essai MBE3 correspondant à des ondes P. On retrouve le fait que la courbe de l’essai MBE1b est très proche de celle de l’essai BB1 et que la courbe de l’essai MBE2 est retardée par rapport à celle de l’essai BB2. L’étude de l’évolution de la vitesse des ondes de cisaillement conforte donc les résultats obtenus au moyen des ondes de compression.

Fig. 25. 8 : Evolution des courbes de vitesse des ondes S (formulation 1, 200 Hz)

0

200

400

600

800

1000

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cs (m

/s)

BB1 B55-20

M BE1b M 55-22

60

70

80

90

100

110

120

60 70 80 90 100 110 120

τ mortiers (min)

τ béto

ns (m

in)M BE1a-BB1M BE1b-BB1M BE2-BB2M BE3-BT9


Fig. 25. 9 : Evolution des courbes de vitesse des ondes S (formulation 2, 200 Hz)

Réflexion à partir des formulations : Les essais réalisés entre bétons et MBE ont été effectués en conservant le rapport e/c et avec des températures de coulée proches. Or, les courbes d’évolution de la vitesse de propagation des ondes P présentent des valeurs plus élevées pour les bétons que pour les MBE. Le fait que la prise des MBE soit plus thermoactivée que celle des bétons implique que les différences de comportement observées proviennent de différences d’arrangements granulaires. Une granulométrie plus complète (bétons) conduit ainsi à des matériaux ayant une raideur plus importante et donc à une vitesse des ondes de compression plus élevée. Cet aspect est d’ailleurs cohérent avec le fait que les valeurs des vitesses initiales Co sont plus élevées pour les bétons que pour les MBE (cf. tabl. 32.2 p. 101). La formulation1 constitue le seul cas où il y a équivalence avérée bétons-MBE pour l’évolution de la vitesse des ondes P (ou S). Ces matériaux étant très fluides (e/c=0,55), les granulats sont alors noyés dans une pâte très liquide et jouent ainsi un rôle mécanique faible, au moins en début de prise. Le béton a alors un comportement proche de celui de sa pâte intergravier et donc de son MBE associé (béton ≈ MBE + graviers : cf. §2.1), ce qui se traduit par la grande proximité des valeurs du temps caractéristique de prise τ. Cette explication n’est cependant que partielle car elle ne rend pas compte de la superposition des courbes de vitesse en fin d’essai, moment où les granulats jouent de manière évidente un rôle mécanique fort. Pour les matériaux plus fermes (cas des formulations 2 et 3), les granulats jouent un rôle mécanique important dès le début de l’essai, d’où la différence notable de comportement entre bétons (≈ MBE+graviers) et MBE.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

Cs (m

/s)BB2 B44-22

M BE2 M 44-23


2.5.1.3 Etude du rapport de pression P4/P2 (effet Poisson)

Sur les figures 25.10 et 25.11 sont présentées les courbes d’évolution des rapports P4/P2. Dans le cas des essais BB1 et MBE1a, les courbes sont proches tant par leurs valeurs initiales que par leurs allures. Ceci montre que la transition du comportement « liquide avec assemblage granulaire continu » au comportement « solide élastique » se produit de manière plus ou moins synchrone dans les deux types de matériaux. On ne retrouve par contre pas ces conclusions avec l’essai MBE1b et l’essai BB1 : les courbes présentent des allures proches mais les valeurs sont ici très différentes. Dans le cas du BB2 et du MBE2, les courbes sont cette fois-ci nettement distinctes, tant par les valeurs initiales qui présentent des écarts beaucoup plus marqués que pour la formulation1, que par leurs évolutions. Il y a donc un décalage temporel dans l’évolution des propriétés mécaniques du béton BB2 et du MBE2. Ces résultats sont donc globalement cohérents avec ceux obtenus sur les vitesses des ondes P et S puisque l’on retrouve un comportement proche entre béton et MBE pour le matériau le plus fluide (MBE1a et BB1) et un comportement nettement différent pour des matériaux plus fermes (MBE2 et BB2). Remarques : Les valeurs de l’essai MBE3 n’ont pas pu être utilisées car les mesures réalisées sur le capteur P4 se sont révélées inexploitables. Les valeurs n’ont pas été corrigées avec d=0 m du fait de l’absence de valeurs pour le rapport de pression P3/P2 des MBE, ce qui explique que certaines valeurs soient supérieures à 1.

Fig. 25. 10 : Evolution du rapport de pressions P4/P2, formulation1 (valeurs non corrigées)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

P4/P2

M BE1a : M 55-24

M BE1b : M 55-22

BB1 : B55-20


Fig. 25. 11 : Evolution du rapport de pressions P4/P2, formulation 2 (valeurs non corrigées)

2.5.1.4 Conclusions :

L’étude thermique montre que les MBE présentent une thermoactivation de leur prise plus importante que celle des bétons associés, ce qui est conforme aux prévisions. Les relation d’équivalence mécanique entre bétons et MBE ne semblent se vérifier que pour des matériaux très fluides, matériaux pour lesquels le rôle de la pâte dans les bétons (de composition proche de celle des MBE) est prépondérant, au moins en début de prise, sur celui des graviers. L’écart grandissant des courbes et grandeurs suivies, au fur et à mesure que le rapport e/c diminue, traduit donc simplement le fait que les granulats jouent alors un rôle mécanique de plus en plus important vis-à-vis des propriétés mécaniques des bétons, ce qui relativise sérieusement l’utilité de ce type de mortiers pour l’étude des propriétés mécaniques des bétons. L’obtention de vitesses plus élevées pour les bétons que pour les MBE montre que, lors du passage des bétons au MBE, l’accroissement des distances intergranulaires a un impact plus important que la plus forte thermoactivation de la prise.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 60 120 180 240 300 360

temps (min)

P4/P2

M BE2 : M 44-23

BB2 : B44-22


2.5.2 Etude comparée des bétons BT et des mortiers MT :

L’étude portera sur le suivi de la vitesse des ondes P, les rapports de pression P4/P2 et P3/P2, ainsi que sur les modules rhéologiques. Les ondes S n’ont pas été utilisées.

2.5.2.1 Etude de la vitesse des ondes de compression

Remarque préliminaire : Il est difficile de prédire comment évoluent les mortiers MT par rapport aux bétons associés, du fait de la différence de température de coulée entre bétons BT et mortiers MT (§2.2.2.1 : les mortiers MT sont plus thermoactivés que les bétons BT) et de l’augmentation des distances intergranulaires lorsque l’on passe du béton au mortier, ces deux aspects ayant des conséquences contraires. Allure des courbes : Si l’on superpose les courbes obtenues pour chaque paire béton BT - mortier MT (fig. 25.12 à 25.17), on observe que plusieurs formulations présentent des courbes étonnamment proches :

• le béton de la formulation de référence BT2 a une courbe superposée à celle du mortier MT2 pendant les 8 premières heures de l’essai (fig. 25.12).

• les courbes de la formulation avec retardateur de prise (BT4 et MT4) sont superposées pendant les 11 premières heures de l’essai (fig. 25.23).

• pour les formulations avec le plastifiant à 0,5% (fig. 25.14 : BT6 et MT6) et l’entraîneur d’air (fig. 25.15 : BT3 et MT3), les courbes sont cette fois-ci disjointes au bout de 2-3 heures mais suivent une évolution parallèle.

• la formulation avec le plastifiant à 0,4% (fig. 25.16 : BT5 et MT5) ne donne pas, quant à elle, de résultats comparables, aspect dû à une températures de coulée du béton trop différente de celle des autres formulations (21,8°C, d’où un écart de température de coulée de 3,4 au lieu de 6°C). Il en va de même pour les essais BT1 et MT1 (fig. 25.17), dont la température de coulée est distante de 3°C au lieu des 5-6°C associés aux autres formulations.


Fig. 25. 12 : Vitesse des ondes P : BT2 et MT2 Fig. 25. 13 : Vitesse des ondes P : BT4 et MT4



0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

Cp

(m/s

)BT2 : B60-20

M T2 : M 60-26

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

Cp

(m/s

)

BT6 : B50P5-19

M T6 : M 50P5-24

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

Cp

(m/s

)BT3 : B55A2-19

M T3 : M 55A2-24

0

500

1000

1500

2000

2500

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

Cp

(m/s

)

BT4 : B60R4-18

M T4 : M 60R4-24

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

Cp

(m/s

)

BT5 : B50P4-22

M T5 : M 50P4-25

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300

temps (min)

Cp

(m/s

)

BT1 : B50-25

M T1 : M 50-28


Temps caractéristique de prise τ : Les observations précédentes sont confirmées par l’étude quantitative du temps τ, qui présente des valeurs très proches pour les deux types de matériaux (fig. 25.18), ce qui reflète une proximité dans l’évolution des pâtes intergraviers. Ce dernier point n’est cependant plus vérifié dès que les écarts de température de coulée deviennent négligeables (e. g. essais MT2 et BT10 : fig. 25.18 et 25.19). La proximité apparente des valeurs de τ entre bétons et mortiers est donc due au fait que la hausse de température de coulée compense exactement l’impact d’une augmentation des distances intergranulaires. Dans les autres cas, et en dehors du cas de l’entraîneur d’air (MT3-BT3), on observe globalement une dépendance linéaire des valeurs obtenues sur mortier, vis-à-vis de celles des bétons (fig. 25.19).

Fig. 25. 18 : Comparaison des valeurs de τ Fig. 25. 19 : Lien entre les valeurs de τ

des bétons BT et des mortiers MT

Conclusions : Une augmentation de la température de coulée d’environ 6°C suffit ainsi pour obtenir des courbes d’évolution de la vitesse des ondes de compression des bétons BT très proches de celles des mortiers MT. Les grandes similitudes observées dans les évolutions des courbes de vitesse ne semblent être dues qu’à la valeur particulière de l’écart de températures de coulée, les quelques courbes obtenues à températures de coulée identiques présentant des évolutions très différentes au cours du temps. On retrouve également ce point dans les évolutions des courbes de vitesse des ondes P exprimée en fonction du degré d’avancement α (fig. 25.47), qui montrent que le comportement des mortiers MT est différent de celui des bétons BT.

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

60 80 100 120 140 160 180 200 220

τ mortiers (min)

τ b

éto

ns

(min

)

M T1-BT1M T2-BT2M T3-BT3M T4-BT4M T5-BT5M T6-BT6M T2-BT10

74

95 98106

127

172

217

130122

130 133

112

172

204

50

70

90

110

130

150

170

190

210

230

MT2-BT10 MT1-BT1 MT2-BT2 MT5-BT5 MT3-BT3 MT6-BT6 MT4-BT4

tau

(min

)

bétonsmortiers


2.5.2.2 Etude de l’effet Poisson (P4/P2) et de l’amortissement (P3/P2)

Les évolutions des rapports de pression P4/P2 (corrigés avec d=0 m) sont présentées sur les fig. 25.20 à 25.24, celles des rapports de pression P3/P2 (valeurs ramenées à d=20 cm) le sont sur les fig. 25.25 à 25.29. La courbe de l’évolution de P4/P2 de l’essai MT1 n’a pu être obtenue en raison d’un défaut d’étanchéité du capteur P4 ayant entraîné une surpression. Les valeurs obtenues pour P4/P2 sur mortier MT sont plus faibles que celles obtenues sur bétons, ce qui montre que la densité des contacts intergranulaires est plus importante pour les mortiers MT que pour les bétons. Ceci est d’ailleurs en accord avec les mesures d’affaissement initial, qui montrent que les bétons de référence sont plus fluides (affaissement initial supérieur à 22 cm pour BT2 à BT6) que les mortiers MT associés (affaissement initial nul pour MT2 à MT6). L’évolution plus rapide des courbes des mortiers MT (e. g. : fig. 25.22) est due à une température de coulée plus élevée. En ce qui concerne le rapport P3/P2, il présente des valeurs initiales plus élevées pour les mortiers que pour les bétons, ce qui traduit un amortissement plus important lié à une augmentation de la viscosité du milieu, malgré l’augmentation des distances intergranulaires et la hausse des températures. Les résultats obtenus (fig. 25.25 à 25.29) sont globalement très différents selon les formulations considérées. Ainsi, les courbes d’évolution des rapports de pression sont proches pour les essais BT2 et MT2, mais dans le cas des autres essais, les évolutions diffèrent nettement par les valeurs atteintes (e. g. : BT3 et MT3), par la temporalité des évolutions (e. g. : BT4 et MT4, P4/P2) ou par les deux à la fois. On ne retrouve donc pas (en dehors de BT2-MT2) l’évolution conjointe observée sur les courbes d’évolution des vitesses des ondes P des bétons BT et mortiers MT.

2.5.2.3 Modules rhéologiques

Les courbes d’évolution des normes des modules oedométrique |K+Z*+2N*| et de cisaillement |N*| sont présentées respectivement sur les fig. 25.30 à 25.34 et 25.35 à 25.39, celles de l’angle de phase ϕ du module oedométrique sur les fig. 25.40 à 25.44 (l’angle de phase ψ du module de cisaillement n’est pas étudié car ses valeurs sont très proches de celles de l’angle ϕ). L’adjuvant ayant un impact sur l’évolution de la viscosité du mélange, les valeurs des normes des modules rhéologiques s’en sont trouvées affectées. On observe ainsi des valeurs proches pour la norme du module oedométrique |K+Z*+2N*| de BT4 et MT4 (R) ou de BT6 et MT6 (P5), ou encore pour celle du module de cisaillement |N*| de BT4-MT4 (R). Mais dans tous ces cas, le début de la croissance rapide des normes survient à des dates nettement distinctes entre bétons et mortiers (e. g. fig. 25.32, flèches), ce qui montre que ces matériaux


ont un comportement très différent. Les modules oedométrique et de cisaillement n’évoluent ainsi de manière très proches entre bétons et mortiers que pour la seule formulation de référence (BT2-MT2 : pendant plus de 6 h). Pour ce qui est de l’angle de phase ϕ du module oedométrique, seule la formulation 3 (A) présente des courbes proches pour les deux matériaux. L’étude de ces grandeurs conforte donc ce qui a été vu sur les rapport de pression.

Fig. 25. 20 : Effet Poisson : P4/P2 (d=0 m) Fig. 25. 21 : Effet Poisson : P4/P2 (d=0 m)

Fig. 25. 22 : Effet Poisson : P4/P2 (d=0 m) Fig. 25. 23 : Effet Poisson : P4/P2 (d=0 m)

Fig. 25. 24 : Effet Poisson : P4/P2 (d=0 m)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

P4/P

2 co

rrigé

BT4 : B60R4-18MT4 : M60R4-24

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

P4/P

2 co

rrigé

BT5 : B50P4-22MT5 : M50P4-25

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

P4/P

2 co

rrigé

BT6 : B50P5-19MT6 : M50P5-24

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

P4/P

2 co

rrig

é

BT2 : B60-20MT2 : M60-26

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)P4

/P2

corr

igé

BT3 : B55A2-19

MT3 : M55A2-24


Fig. 25. 25 : Evolution de l’amortissement Fig. 25. 26 : Evolution de l’amortissement

P3/P2 (d=20 cm) P3/P2 (d=20 cm)

Fig. 25. 27 : Evolution de P3/P2 (d=20 cm) Fig. 25. 28 : Evolution de P3/P2 (d=20 cm)

P3/P2 (d=20 cm) P3/P2 (d=20 cm)

Fig. 25. 29 : Evolution de l’amortissement P3/P2 (d=20 cm)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

P3/P

2 co

rrig

éBT2 : B60-20MT2 : M60-26

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

P3/P

2 co

rrig

é

BT3 : B55A2-19

MT3 : M55A2-24

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

P3/P

2 co

rrig

é

BT4 : B60R4-18

MT4 : M60R4-24

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

P3/P

2 co

rrig

éBT5 : B50P4-22MT5 : M50P4-25

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

P3/P

2 co

rrig

é

BT6 : B50P5-19MT6 : M50P5-24


Fig. 25. 30 : Norme du module oedométrique Fig. 25. 31 : Norme du module oedométrique

essais BT2 et MT2 essais BT3 et MT3

Fig. 25. 32 : Norme du module oedométrique Fig. 25. 33 : Norme du module oedométrique


Fig. 25. 34 : Norme du module oedométrique

essais BT6 et MT6

2,00E+07

1,02E+09

2,02E+09

3,02E+09

4,02E+09

5,02E+09

6,02E+09

7,02E+09

8,02E+09

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

a

BT4 : B60R4-18

M T4 : M 60R4-24

2,00E+07

2,02E+09

4,02E+09

6,02E+09

8,02E+09

1,00E+10

1,20E+10

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

aBT2 : B60-20M T2 : M 60-26

1,00E+07

5,01E+09

1,00E+10

1,50E+10

2,00E+10

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

aBT5 : B50P4-22M T5 : M 50P4-25

1,00E+07

2,01E+09

4,01E+09

6,01E+09

8,01E+09

1,00E+10

1,20E+10

0 120 240 360 480 600

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

a

BT6 : B50P5-19

M T6 : M 50P5-24

1,00E+07

2,01E+09

4,01E+09

6,01E+09

8,01E+09

1,00E+10

1,20E+10

0 120 240 360 480

temps (min)

|K+Z

*+2N

*| P

a

BT3 : B55A2-19M T3 : M 55A2-24


Fig. 25. 35 : Norme du module de cisaillement Fig. 25. 36 : Norme du module de cisaillement


Fig. 25. 37 : Norme du module de cisaillement Fig. 25. 38 : Norme du module de cisaillement


Fig. 25. 39 : Norme du module de cisaillement

essais BT2 et MT2

5,00E+06

1,01E+09

2,01E+09

3,01E+09

4,01E+09

5,01E+09

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

|N*|

PaBT2 : B60-20MT2 : M60-26

1,0E+06

1,0E+09

2,0E+09

3,0E+09

4,0E+09

5,0E+09

6,0E+09

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

|N*|

Pa

BT3 : B55A2-19MT3 : M55A2-24

6,00E+06

5,06E+08

1,01E+09

1,51E+09

2,01E+09

2,51E+09

3,01E+09

3,51E+09

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

|N*|

Pa

BT4 : B60R4-18

MT4 : M60R4-24

5,00E+06

1,01E+09

2,01E+09

3,01E+09

4,01E+09

5,01E+09

6,01E+09

7,01E+09

8,01E+09

9,01E+09

1,00E+10

0 60 120 180 240 300 360 420

temps (min)

|N*|

PaBT5 : B50P4-22MT5 : M50P4-25

5,00E+06

1,01E+09

2,01E+09

3,01E+09

4,01E+09

5,01E+09

6,01E+09

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

|N*|

Pa

BT6 : B50P5-19

MT6 : M50P5-24


Fig. 25. 40 : Phase du module oedométrique Fig. 25. 41 : Phase du module oedométrique


Fig. 25. 42 : Phase du module oedométrique Fig. 25. 43 : Phase du module oedométrique


Fig. 25. 44 : Phase du module oedométrique essais BT2 et MT2

0

30

60

90

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

ϕ (°

)BT2 : B60-20MT2 : M60-26

0

30

60

90

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540

temps (min)

ϕ (°

)

BT3 : B55A2-19MT3 : M55A2-24

0

30

60

90

0 120 240 360 480 600 720

temps (min)

ϕ (°

)

BT4 : B60R4-18MT4 : M60R4-24

0

30

60

90

0 120 240 360

temps (min)

ϕ (°

)BT5 : B50P4-22MT5 : M50P4-25

0

30

60

90

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

temps (min)

ϕ (°

)

BT6 : B50P5-19MT6 : M50P5-24


2.5.2.4 Conclusions :

Les essais réalisés montrent qu’il n’y a pas d’équivalence mécanique ou rhéologique générale entre les bétons BT et les mortiers MT, tant les effets de l’augmentation des distances intergranulaires et de la densification des contacts intergranulaires se font sentir. Ils montrent cependant qu’il est possible de compenser des modifications d’arrangements granulaires par une adaptation de la température de coulée.

2.5.3 Comparaison des MBE et des mortiers MT :

Cette partie concerne essentiellement les essais MT2 (M60-26) et MBE1a (M55-24), seules formulations ayant des compositions suffisamment proches pour pouvoir donner lieu à des comparaisons. Ces matériaux diffèrent cependant par un faible écart de température de coulée et de rapport e/c. Des comparaisons seront également réalisées sur l’ensemble des essais lorsque le comportement général des mortiers MT et des MBE est notablement différent (cas du rapport de pression P4/P2, par exemple). Les mesures obtenues sur les MBE étant limitées, seules les courbes de température, de vitesse des ondes P et de rapport de pression P4/P2 (effet Poisson) seront exploitées. Températures : La fig. 25.45 montre que la température du MBE évolue plus vite et atteint des valeurs bien plus élevées que celle du mortier MT associé, aspect cohérent avec les valeurs théoriques calculées (tabl. 25.2 : écart théorique final de 11,3°C, écart mesuré de 10,3°C). Les valeurs initiales supérieures pour l’essai MT2 s’expliquent par une température de coulée supérieure de 2°C à celle du MBE1a. Ces mesures sont donc en accord avec l’hypothèse d’une prise plus thermoactivée pour les MBE que pour les mortiers MT associés.

Nom de l’essai teneur en air occlus %

ciment (kg)

gravier (kg)

sable (kg)

eau (kg)

air (kg)

Tc (°C)

température finale calculée

(°C)

température finale mesurée

(°C)

MBE1a : M55-24 0,9 608 0 1223 335 0,01 23,7 67,2 54,6 MT2 : M60-26 6,0 357 0 1620 214 0,07 26,4 55,9 44,3

Tabl. 25. 2 : températures finales théoriques, essais MBE1a et MT2


Fig. 25. 45 : Evolution des températures

Vitesse des ondes de compression : La fig. 25.46 représente l’évolution de la vitesse des ondes P en cours de prise, pour les matériaux MBE1a et MT2. On constate alors que les courbes suivent une évolution très proche pendant les 3 premières heures et divergent ensuite franchement, ce qui est cohérent avec l’hypothèse de diminution des distances intergranulaires lors du passage MT→MBE et la thermoactivation plus forte de la prise des MBE (remarque : pour MT2, τ =130 min ; pour MBE1a, τ =101min).

Fig. 25. 46 : Comparaison des évolutions des vitesses des ondes P

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

temps (heures)

T°C

MBE1a M55-24MT2 M60-26

0

500

1000

1500

2000

2500

0 60 120 180 240 300 360 420 480

temps (min)

Cp (m

/s)

M BE1a : M 55-24

M T2 : M 60-26


Liens entre la vitesse des ondes P et l’avancement des réactions chimiques : L’évolution des vitesses des ondes de compression des différents essais testés en fonction du degré d’avancement des réactions chimiques α (cf. §1.2.2.1) est présentée sur la fig. 25.47. On constate alors que toutes les courbes se regroupent en deux paquets très distincts, correspondant respectivement aux mortiers MT, et à l’ensemble bétons (BT et BB) - MBE. Un examen plus attentif montre également que les courbes des MBE présentent globalement des valeurs plus faibles que celles des bétons. On obtient donc un résultat très différent de celui de la normalisation exponentielle des courbes de vitesse, qui n’avait donné qu’une seule courbe maîtresse (fig. 23.2 du §2.3.1.1). Ces résultats, fondamentaux, prouvent le rôle déterminant de l’organisation des grains dans la mesure de la vitesse. Ils prouvent également l’existence d’architectures granulaires nettement distinctes pour les différents matériaux concernés. Ces mesures sont ainsi cohérentes avec l’hypothèse selon laquelle les distances intergranulaires sont un peu plus éloignées pour les MBE que pour les bétons, et nettement plus pour les mortiers MT. L’expression de la vitesse Cp en fonction de α peut donc être vue comme une sorte de mesure de l’espacement intergranulaire. La grande proximité des courbes des bétons et des MBE montre que les écarts constatés entre les propriétés mécaniques de ces matériaux proviennent en grande partie des différences de comportement thermique de ces deux types de matériaux. Remarque : Les valeurs de α obtenues sur béton pour (e. g.) une vitesse Cp=1500 m/s (cf. fig. 25.47) sont bien plus élevées pour les mortiers MT (≈0,5) que pour les bétons et les MBE (≈0,2). Le fait que la normalisation exponentielle ait conduit à l’obtention d’une unique courbe maîtresse montre alors que les mortiers MT compensent leur déficit de compacité granulaire (cf. les courbes granulométriques sont moins étalées) par une hydratation plus rapide du ciment, la quantité supplémentaire de ciment hydratée à un instant donné jouant en quelques sortes le rôle des granulats manquants.

154

II.5

: Li

ens e

ntre

Bét

ons e

t Mor

tiers

Fig.

25.

47

: Evo

lutio

n de

la

célé

rité

des

ond

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fonc

tion

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egré

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0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

α

Cp (m/s)BT

2 : B

60-2

0BT

3 : B

55A

2-19

BT4

: B60

R4-

18BT

5 : B

50P

4-22

BT6

: B50

P5-

19BT

7 : B

45P

4-21

BT8

: B45

-21

BT9

: B4

5-24

BT10

: B

60-2

7BB

1 : B

55-2

0BB

3 : B

40-2

5M

BE1a

: M

55-2

4M

BE2

: M44

-23

MBE

3 : M

40-2

5M

T2 :

M60

-26

MT3

: M

55A2

-24

MT4

: M

60R

4-24

MT5

: M

50P

4-25

MT6

: M

50P

5-24

béto

ns e

t MB

E

mor

tiers

MT

0

100

200

300

400

500 0,

000,

020,

040,

060,

080,

10

α

Cp (m/s)

MB

E

C

hapi

tre II

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du C

ompo

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éton

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ortie

rs

155

Fig.

25.

48

: Evo

lutio

n du

rap

port

de

pres

sion

P4/P

2 (ef

fet P

oiss

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ortie

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T e

t les

MB

E

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,91

060

120

180

240

300

360

420

480

540

tem

ps (m

in)

P4/P2

BB1

: B5

5-20

BB2

: B4

4-22

BB3

: B4

0-25

BT1

: B

50-2

5B

T2 :

B60

-20

BT3

: B

55A2

-19

BT4

: B

60R

4-18

BT5

: B

50P4

-22

BT6

: B

50P5

-19

BT7

: B

45P4

-21

BT8

: B

45-2

1B

T10

: B60

-27

MB

E1a

: M55

-24

MB

E1b

: M55

-22

MB

E2 :

M44

-23

MT2

: M

60-2

6M

T3 :

M55

A2-

24M

T4 :

M60

R4-

24M

T5 :

M50

P4-

25M

T6 :

M50

P5-

24

mor

tiers

MT

béto

ns +

MB

E


Rapport de pression P4/P2 (effet Poisson) La fig. 25.49 montre que les valeurs du mortier MT2 sont beaucoup plus faibles que celles du MBE1a : les contacts intergranulaires doivent donc être plus denses dans le cas des mortiers MT que dans le cas des MBE. La fig. 25.48 montre que ce résultat est généralisable à l’ensemble des formulations de mortiers MT et de MBE. Ces mesures sont donc cohérentes avec les mesures de fluidité des matériaux concernés puisque les MBE ont présenté des affaissements au mini-cône compris entre 50 et 130 mm, alors que les mortiers MT ne se sont pas affaissés. La fig. 25.48 montre également que les courbes d’évolution de P4/P2 des bétons sont globalement assez proches de celles des MBE (comparativement aux courbes des mortiers MT). Les MBE présentent donc un arrangement granulaire plus proche de celui des bétons que de celui des mortiers MT.

Fig. 25. 49 : Evolution du rapport de pressions P4/P2 au cours du temps (effet Poisson)

Conclusions : Les différentes observations réalisées sont donc en accord avec ce qui avait été supposé quant aux liens régissant les MBE et les mortiers MT. Ainsi :

• les MBE ont une prise plus thermoactivée que celle des mortiers MT. • les grains dans les mortiers MT sont plus éloignés que dans les MBE.

Les mesures ont clairement mis en évidence les divergences profondes d’arrangement granulaire des bétons, MBE et mortiers MT.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 60 120 180 240 300

temps (min)

P4/P

2 cor

rigé

MBE1a : M55-24

MBE1b : M55-22

MT2 : M60-26


2.5.4 Conclusions

A partir des résultats obtenus dans cette partie, il est possible de dresser un tableau résumant l’ensemble des relations liant les bétons BB aux MBE, les bétons BT aux mortiers MT et les MBE aux mortiers MT (tabl. 25.3 et 25.4). Le tableau contient deux cases pour chaque groupe de matériaux et pour chaque grandeur suivie : la première regroupe les observation réalisées sur la grandeur suivie, la seconde est relative à l’interprétation qui en est faite. Il apparaît ainsi que les MBE ne présentent des similitudes de comportement avec les bétons que pour les formulations fluides : ils sont alors utilisables pour prédire certaines propriétés des bétons (temps caractéristique de l’évolution mécanique du matériau : τ, évolution de la compressibilité : vitesse Cp, transition solide/liquide : P4/P2). Pour les formulations plus fermes, les granulats jouent alors un rôle mécanique plus important, faisant différer profondément, dès le début de la prise, les propriétés des bétons et MBE associés. En fait, seule la relation obtenue sur les étalements et les affaissements semble se vérifier de manière générale sur une longue durée (jusqu’à 90-120 min). L’étude a également permis de vérifier plusieurs hypothèses faites à partir de la composition des MBE. Les différentes mesures réalisées sont ainsi cohérentes avec une plus forte thermoactivation de la prise des MBE et une augmentation des distances intergranulaires lors du passage BB→MBE. L’étude de la vitesse des ondes P en fonction de α montre que la majeure partie des différences d’évolution mécanique des bétons et MBE sont dues aux différences de comportement thermique. Pour ce qui est des mortiers MT, aucun lien général de passage n’a pu être établi entre les propriétés mécaniques et rhéologiques des bétons BT et des mortiers MT. Les mesures sont cohérentes avec l’hypothèse d’augmentation des distances intergranulaires lors du passage BT→MT et la possibilité de fabriquer des mortiers ayant un comportement thermique proche de celui des bétons associés. Les essais réalisés montrent également qu’il est possible de compenser des variations de distance intergranulaire (passage d’un béton au mortier MT associé) par une modification de la température de coulée. En ce qui concerne l’étude croisée des MBE et des mortiers MT, les mesures réalisées se sont montrées cohérentes avec l’idée d’une plus forte thermoactivation de la prise des MBE ainsi que celle d’une augmentation des distances et des contacts intergranulaires lors du passage MBE→MT. Ces résultats montrent ainsi que l’idée d’obtenir des mortiers parfaitement équivalents à des bétons s’avère être une gageure. Il faudrait pour cela créer un matériau avec des constituants plus petits que le matériau d’origine, de manière à réaliser un même assemblage granulaire, à un facteur d’échelle près. Le ciment ne pouvant pas actuellement être rétréci, ce genre de tentative est forcément voué à l’échec. Tout au plus peut-on espérer obtenir des relations de passage sur des grandeurs particulières et dans des gammes de composition limitées, chacune de ces relations devant être préalablement testée et vérifiée avant d’être utilisée.

158

II.5

: Li

ens e

ntre

Bét

ons e

t Mor

tiers

Tab

l. 25

. 3 :

Bila

n de

l'ét

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2.6 CONCLUSIONS :

Différentes formulations de bétons et mortiers ont été testées de manière à améliorer la connaissance de leur prise d’un point de vue mécanique et rhéologique, caractériser l’impact d’adjuvants (entraîneur d’air, plastifiant et retardateur de prise) et déceler d’éventuels liens entre les mesures réalisées sur mortier et celles sur béton. Le dispositif de mesure utilisé s’est montré sensible à des différences de composition des matériaux fabriqués et donne accès à l’évolution des grandeurs rhéologiques (sur mortiers et surtout sur BETONS) en cours de prise. Vis-à-vis du déroulement de la prise, il a été montré que :

• les grandeurs suivies (vitesses : Cp et Cs, effet Poisson : P4/P2, amortissement : P3/P2, angles de phase : ϕ et ψ) présentent des évolutions dont l’interprétation des dates de transition est compatible avec la notion de seuil de percolation.

• le temps τ, obtenu à partir des vitesses des ondes P, constitue une date caractéristique de l’évolution mécanique du matériau. Il permet notamment de regrouper l’ensemble des courbes de vitesse des ondes P et S sur une même courbe maîtresse, montrant ainsi que tous les matériaux testés passent par des états intermédiaires à mêmes propriétés mécaniques, mais à des dates différentes. Ces résultats ont été retrouvés sur les normes des modules oedométrique et de cisaillement (obtention d’un fuseau de courbes) et étendus, pour la vitesse des ondes P seulement, au cas des bétons cellulaires.

• les valeurs des angles de phase ϕ et ψ sont très proches, ce qui traduit un lien étroit entre les propriétés viscoélastiques de volume et de cisaillement des matériaux testés.

Pour ce qui est de l’impact des adjuvants sur le déroulement de la prise, il a été montré que :

• les mesures du Vibroscope permettent de réaliser le suivi de la prise de mortiers et de bétons adjuvantés. En particulier, l’étude des parties réelles et imaginaires des modules rhéologiques constitue le moyen d’étude le plus efficace pour tester l’impact d’adjuvants.

• l’usage d’adjuvants conduit à une réponse du matériau différente selon qu’ils sont utilisés sur mortier ou sur béton.

• l’usage d’entraîneur d’air ne conduit qu’à une faible variation de la compressibilité initiale du matériau, effet très vite masqué par la formation d’hydrates.

• l’usage de plastifiant ou de retardateur de prise se traduit par un retard de prise pour l’ensemble des grandeurs suivies. Ce retard, qui augmente avec le dosage pour le plastifiant, n’est pas qu’un simple retard mais conduit bien à des chemins d’évolution différents des modules rhéologiques au cours de la prise. Les causes de cet effet sont à rechercher dans des modifications de la chimie de la prise, consécutives à l’usage d’adjuvant.


Enfin, l’étude des liens entre bétons et mortiers montre qu’il n’existe pas de relation générale permettant de passer des propriétés des uns à celles des autres. Chaque relation présupposée doit, en fait, être testée avant d’être utilisée car les exemples étudiés montrent que l’existence d’un lien quelconque ne peut pas être étendu à d’autres grandeurs sans précautions.


Documents

ETUDE des BETONS et des MORTIERS - INSA de Lyoncsidoc.insa-lyon.fr/these/2005/dierkens/08_chapitre_2.pdf · que les modes de fabrication feront l’objet d’une seconde partie