Formulation du be tong en science des materiaux

7/26/2019 Formulation du be tong en science des materiaux

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Concepts avancs de formulation des btons bass sur la science des matriaux

Gilles ChanvillardDirecteur scientifique, Lafarge Centre de Recherche

Rsum

Le bton est le matriau de construction par excellence depuis presque un sicle. Constituer

lorigine de seulement 4 composants (gravillons, sable, ciment et eau) il est devenu multiple aveclapport des adjuvants et des additions minrales. Devant en plus rpondre des cahiers de charge

toujours plus sophistiqus, les mthodes de formulation ont volu dun savoir-faire empirique versla science des matriaux. Nous abordons dans cet article des avances scientifiques rcentes dansdeux domaines (rhologie et rsistance) qui permettent dapporter un nouveau regard sur la

formulation des btons, tout en gardant lesprit que formuler un bton reste une vraie expertise.

Mots clefs :

Bton, formulation, rhologie, rsistance, compacit, additions minrales, rendement mcanique

Introduction

Avec une consommation mondiale annuelle de lordre de 7 ,5 milliards de mtres cube, le bton estde loin le matriau de construction le plus utilis sur la plante pour offrir ses habitants lesinfrastructures ncessaires un cadre de vie dcent. Cette position est le rsultat de nombreuxfacteurs dont les principaux sont la disponibilit mondiale des matires premires, la simplicit dumode constructif base de bton (conception, versatilit et ralisation), la durabilit prouve desconstructions et la matrise des cots et de limpact environnemental (faible nergie grise etrecyclabilit).Ce succs est surtout le rsultat dun sicle de science qui a permis de matriser la formulation des

btons dont le cahier des charges prsente toujours des contradictions ncessitant une dmarchedoptimisation. Le bton est en effet un matriau dune extrme complexit, devant satisfaire desattentes multiples, de celles du constructeur qui souhaite des btons faciles mettre en uvre et

performants au jeune ge, celles du matre douvrage qui pense plutt la dure de vie delouvrage en passant par le bureau dtudes qui se concentre sur les performances mcaniqueslors de lexcution et en service.Dans cet article, nous proposons de revisiter certains points de la formulation des btons et demettre en exergue des concepts avancs qui sont aujourdhui intgrs dans une dmarche deformulation des btons modernes.

Les btons comme des suspensions concentres de particules

La science de la formulation des btons modernes trouve son origine au dbut du vingtime sicleavec lapparition des moyens technologiques de malaxage (btonnires et autres malaxeurs). A

lorigine, le bton tait un matriau plutt de consistance terre humide, dam refus dans lescoffrages. Lapparition des moyens de malaxage a permis de rduire les temps de construction demme que la pnibilit du travail tout en amliorant la qualit des constructions mais encontrepartie, a complexifi lacte de formuler [1].Le levier de formulation immdiat pour passer dune consistance humide ouvrable est vidementleau. Lesprit est de crer, par malaxage, un tat de suspension homogne des particules solidesque sont le ciment, le sable et les gravillons afin de leur donner une certaine mobilit que lonnomme sous le terme gnrique douvrabilit. Ce faisant, le matriau va tre cisaill lors de sontransport et de sa mise en uvre, et il faut alors sassurer quil garde son homognit, gage de ses

performances ultrieures.Ce changement de paradigme dans lacte de formuler alors concentrer les rflexions des

chercheurs de cette poque sur des considrations dempilement granulaires [2-4]. Il ne fait aucundoute dans lesprit de chacun quun bton est avant tout un empilement de grains minraux rendussolidaires par les mcanismes dhydratation des liants, do limage de pierre artificielle. La cible

est donc claire, choisir une gradation pour ces particules de sorte quelles sempilent de faon


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optimale mais aussi sassurer que chaque particule trouvera sa place de faon robuste lors de la miseen uvre dans cet empilement optimis.Thories et expriences se sont donc succd au cours du sicle dernier, qui ont jet les bases desmthodes de formulation des squelettes granulaires des btons [5,6]. Il se dgage aujourdhui uncertain consensus sur le sujet. En premier lieu, les courbes granulaires continues apportent plus derobustesse aux mlanges mme si elles prsentent un potentiel de compacit plus faible et ltendue

granulaire est le paramtre dterminant pour optimiser la compacit (fraction solide dans le

volume). Les modles thoriques les plus avances permettent aujourdhui de calculer la capacitdempilement dun jeu de matires premires solides. Citons le modle dempilement compressible

dvelopp par F. De Larrard [7], qui introduit des interactions entre particules (effet de paroi et effetde desserrement, figure 1) et permet de simuler la compacit dun mlange en partant de lacompacit propre de chaque fraction, en fonction de lnergie de compactage mise en uvre.

Fig. 1: Interaction entre particules Fig. 2: Optimum de compacitdans un empilement [7] dun mlange binaire[7]

Ainsi, au cours des dernires dcennies, les mthodes de formulation ont volu au-del dune

simple considration de courbe granulomtrique idale (suppose permettre lobtention dunecompacit optimale, par exemple les mthodes de Faury, Dreux-Gorisse [8,9]) vers une estimationde la compacit de lempilement (Fig. 2). Cette volution est significative puisquelle permetdestimer la porosit rsiduelle du mlange et donc denvisager une prdiction des proprits

rhologiques des btons dans son tat de suspension.

Fig. 3: Concept de couche de pte Fig. 4: Mcanismes de dissipationdesserrant le squelette granulaire lors de lcoulement[7]

Lun des apports les plus significatifs de ces avances scientifiques rside dans la notion

doptimisation dun squelette granulaire vis--vis des performances rhologiques cibles. En effet,alors que traditionnellement, les mthodes de formulations considraient que le squelette le plus

compact donnait le meilleur bton, il est rapidement apparu que pour viser des performancesrhologiques telles que celles des btons auto-plaants, il ne faut plus se placer loptimum decompacit.

Dissipationvisqueuse dans

le liquide

Dissipation

par frictionentre lesgrains


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En effet, les btons modernes se distinguent des btons traditionnels dans le fait dune part quilsrecourent systmatiquement des adjuvants rhologiques et, dautre part, que le liant est devenu unmlange de ciment portland et de fines complmentaires. Dun point de vue fondamental, il estthoriquementpossible de considrer toutes les particules solides, jusquaux plus fines (y comprisles fines du sable), en terme dempilement. Toutefois, ds lors que ces particules sont de taillesmicroniques et, qui plus est, lectriquement charges, leur comportement en milieu aqueux devientcomplexe et gnre des effets de floculation. Il nest alors plus suffisant de considrer les courbes

granulomtriques de chaque composant pour anticiper les empilements. Cest dailleurs le rle desadjuvants rhologiques que de favoriser la dispersion de ses particules fines pas des effets striquespar exemple [10].Dun point de vue pratique, il a toujours t dusage et cela reste commode de sparer dune part lesquelette granulaire proprement dit, empilement du sable et des gravillons, et dautre part la pte

constitue du reste, ciment, fines, eau et adjuvants. Ce faisant, la pte vient desserrer le squelettegranulaire pour viser une consistance. Il est ais de concevoir que le volume de pte peut trefractionn en un volume de pte qui va initialement remplir les vides rsiduels du squelettegranulaire, plus un volume de pte qui va crer leffet de desserrement (suspension du squelettegranulaire dans la pte). Un concept de couche de pte autour des granulats a dailleurs t adopt

par le pass pour prendre en compte ces effets (fig. 3) [5,11].

Cest ce niveau quintervient la notion de compacit opt imale du squelette granulaire. En effet, levolume de pte de remplissage est dautant plus faible que le squelette granulaire est compact.

Toutefois, cette optimisation de la compacit du squelette granulaire conduit en gnral desempilements favorisant les gros granulats tant en taille quen fraction volumique (le fameux rapportgravillons/sables bien connu des mthodes de formulations traditionnelles). Le cisaillement de ce

bton lors de sa mise en uvre va alors ncessiter de faire passer des gros granulats les uns sur lesautres et conduit alors des blocages locaux, source de seuil en terme de comportement rhologique(fig. 4).Afin de limiter ces effets nfastes, il est dusage de rduire la taille du plus gros granulat maisgalement de favoriser des empilements tels que chaque taille de grain est desserr par les tailles degrains infrieures. Cet empilement nest plus lempilement le plus compactet donc va ncessiter un

volume de pte de remplissage accru mais en contrepartie, moyennant un volume de ptedcartement suffisant, un tel bton possdera des proprits rhologiques souhaites. Il fautgalement not quil devient alors possible de viser des rhologies fluides sans diluer en excs la

pte de ciment mais par effet de desserrement, ce qui permet alors de matriser la stabilit dumlange (ressuage, sgrgation) mais galement les rsistances et la durabilit (fig. 5).

Fig. 5 : Diffrentes stratgies de desserrement teneur en eau constante

Les concepts prcdents sont la base de la formulation des btons auto-plaants. En effet, si lonse rfre aux rgles traditionnelles, pour augmenter louvrabilit dun bton, considrant un

squelette solide optimis (incluant toutes les particules solides), il faut agir sur le dosage en eau[12].Notons que lon retrouve cette rgle indirectement dans la mthode de Dreux qui aprs avoirdfini le rapport E/C pour la rsistance, donne accs au dosage en ciment donc en eau selonlaffaissement vis [9]. Nous avons expliqu la limite dune telle approche et seule une dmarcherigoureuse doptimisation du squelette dun point de vue rhologique permet datteindre la cible.


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En desserrant le squelette granulaire avec la pte, la rhologie va dpendre du niveau dedesserrement mais galement de la viscosit de la pte elle-mme. Et cest ce niveau que rentrenten jeu les adjuvants tels que les superplastifiants. En effet, ces adjuvants permettent de maintenir untat dflocul pour les fines particules pour autant que le malaxage (aid par la prsence desgranulats) ait cisaill suffisamment les flocs pour les briser. En consquence, la viscosit de la ptede ciment va au premier ordre tre fonction de ltendue granulaire des fines particules et de leursfractions volumiques (attention, il sagit bien de fraction volumique et non pas de fraction massique,

les fines complmentaires ayant des densits diffrentes de celles du ciment portland). Ainsi denouveaux leviers apparaissent au formulateur pour agir sur la rhologie de la pte : soit i) le choixdes fines (leurs natures et leurs granulomtries), ii) leur niveau de dfloculation) et iii) la dilution dela pte de ciment, soit le rapport eau/liant. A ce niveau, une certaine complexit peut surgir dans lamesure o lefficacit dun adjuvant superplastifiant peut tre variable dun ciment un autre et parsuite, seuls des essais permettent doptimiser ces couples, mme si ces mcanismes tendent tre demieux en mieux matriss (la synthse de superplastifiants avec des structures bien dfinies ont

permis de comprendre comment les structures de ces polymres interagissent physico-chimiquement avec du ciment) [13]. Notons que pour agir sur la viscosit de faon plus directe, ilest possible davoir recours des agents viscosants, mais cela introduit des difficultssupplmentaires devant la diversit des produits possibles.

En conclusion, la formulation des btons modernes ayant des profils rhologiques plus adapts auxmthodes constructives daujourdhui est possibleet comprise. Les mthodes classiques bases surdes notions doptimisation de la compacit ne sont pas caduques mais elles ne permettent pas de

prendre en compte de nouveaux leviers. Les points majeurs retenir pour les btons de consistancefluide et plus sont les suivants :

- loptimum de compacit du squelette granulaire nest pas intrinsque et dpend de lnergiede compactage mise en uvre et de la rhologie vise.

- Par principe, un bton est une suspension et le desserrement du squelette par la pte deciment permet de viser la rhologie souhaite.

- La rhologie de la pte elle-mme est lorigine des performances du bton frais, tant dunpoint de vue aptitude tre mise en uvre que robustesse et capacit du mlange rester

homogne.- Pour ajuster la rhologie de la pte de ciment, les superplastifiants sont essentiels, en autant

que lnergie de malaxage permet de gnrer un tat deflocul des fines,mais la fractionsolide des fines ainsi que leur potentiel dempilement est le paramtre de premier ordre.

- Cette fraction solide va intgrer les effets du ciment lui-mme mais galement des finescomplmentaires (fines dadditions, fines du sables, ), indispensables pour optimiser levolume de pte et son comportement. A ce niveau, il faut garder lesprit que les finesautres que le ciment ont gnralement des densits plus faibles que le ciment portland et parconsquent, une substitution massique conduit toujours une fraction volumique suprieure,ce qui impacte directement la viscosit de la pte de ciment mais constitue un vrai levier deformulation.

Les btons comme des milieux poreux rsistants

Dans la partie prcdente, nous avons prsent des concepts modernes de formulation des btonspour atteindre des cibles rhologiques bases sur les notions de compacit en tenant compte delimpact des fines complmentaires et des adjuvants rhologiques. La cible rhologique ne constituecependant quune partie du cahier des charges qui doit tre considr dans une dmarche deformulation des btons. Nous allons dans cette partie aborder laspect rsistance des btonsconsidrs comme matriaux solides poreux.La rsistance, ici avant tout en compression, reprsente la valeur dusage principale du bton. Elleest le passage de relai entre le fournisseur de matriau et le bureau dtudes. Elle reprsente surtout

toute la dualit des btons, matriaux fluides pendant quelques heures (le temps de la mise enuvre) puis matriaux durcis, capables de jouer un rle structural. Ce changement dtat est lersultat de lhydratation des liants, en particulier du ciment portland. La prvision d e la rsistanceen compression dun bton en fonction de sa composition a t lobjet de trs nombreuses


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recherches au cours du sicle dernier. Trs vite les paramtres de premier ordre qui gouvernent lesperformances de la pte de ciment ont t identifis, savoir le rapport eau/liant et le degrdhydratation (fig. 6) [14]. Et cest ainsi que de nombreuses mthodes de formulation actuellescapturent leffet du temps en considrant lvolution de la rsistance du liant sur mortier normaliset leffet de composition du bton lui-mme par des formules empiriques bases sur le rapport E/C[7,15].Ces mthodes fournissent de bonnes estimations mais trouvent leurs limites ds lors que la

composition du bton intgre des fines dadditions. En effet, ces fines possdent des potentielsvariables en fonction de leur teneur en silice amorphe (fig. 7). Dun cot, nous avons les fillerscalcaires, peu ractifs, qui apportent surtout de la surface permettant une hydratation du clinker

portland plus avance au jeune ge. De lautre cot, nous avons les fumes de silice, particules trsfines (difficiles dfloculer) et en gnral trs ractives. Elles dveloppent principalement uneraction pouzzolanique (raction entre la portlandite issue de lhydratation du clinker et la siliceractive des fumes de silice pour produire des C-S-H additionnels). Entre ces deux extrmes, se

positionnent les cendres volantes ou les pouzzolanes naturelles dont les ractivits vont dpendre deleur composition. Enfin, les laitiers sont galement des fines dadditions dont la composition

voisine de celle de clinker leur donne un pouvoir hydraulique latent.

Fig. 6 : Effet du rapport E/C et du Fig. 7 : Diagramme ternaire des additionsdegr dhydratation sur la rsistance [14] minrales du ciment portland

La question qui se pose ds lors que des fines dadditions viennent complter la formulation des

ptes liantes est de savoir prendre en compte leur contribution aux performances mcaniques. Ladifficult vient du fait que ces fines par leur ractivit propre viennent modifier sensiblement lamicrostructure tant en terme de porosit quen terme de proportions des phases formes. Il a donct ncessaire dans un premier temps de revisiter les mcanismes dhydratation en prsence desliants composs afin de pouvoir dcrire de faon quantifie la microstructure forme (nature des

phases et leurs fractions volumiques). En exploitant des bases de donnes thermodynamiques et endcrivant les rections dhydratation au sens large par des modles cintiques physiques, il est

aujourdhui possible de dcrire assez prcisment lvolution de la microstructure en fonction du

temps (fig. 8) [16,17] et finalement daller au-del des modles performants mais limits au cimentportland tel que celui bien connu de Powers [18].

Slag

Metakaolin

Fly Ash

Portland

Limestone

C

F

CaOAl2O3

SiO2

NaturalPozzolan

SilicaFume

C-S-H


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Fig. 8 : Evolution des phases minrales au cours de lhydratation (FA(30%) , L(5%)) [16]

Pour ensuite franchir le pas de ces microstructures vers les rsistances mcaniques, les travaux lesplus rcents exploitant le potentiel de la micromcanique sont prometteurs [19]. En effet,simplement en adoptant un critre de rsistance pour la phase C-S-H, la phase la plus liante, il est

possible en mettant en uvre une dmarche dhomognisation multi-chelle (fig 9) de reproduireassez fidlement lvolution des rsistances en fonction du degr dhydratation et en fonction durapport E/C initial (fig 10) [20,21].

Fig. 9 : Sparation dchelle en vue dune Fig. 10 : Prdiction de la rsistancedmarche dhomognisation [21] par un modle micromcanique [21]

Considrant alors la contribution des fines dadditions, dune part, la rduction de la porosit pareffet filler et, dautre part, la formation dhydrates C-S-H supplmentaires, il devient possible de

prendre en compte limpact de ces fines sur les rsistances. Cette approche scientifique permetdaller au-del des approches empiriques, bien que fonctionnelles, qui sont bases sur la notion deliant quivalent. Cependant, une telle approche rigoureuse ne trouve sa pleine puissance que si lonest en mesure de bien dcrire la composition des fines elles-mmes, et en particulier leur potentielde ractivit. Cela reste une vraie difficult pour les cendres volantes ou pouzzolanes naturelles parexemple, dont la fraction ractive nest pas simplement la fraction de verres amorpheset dpendgalement de leur finesse.Cette approche micromcanique reprsente une volution majeure par rapport aux approchestraditionnelles bases sur des quations empiriques. Elle nen demeure pas moins ses

balbutiements sur plusieurs points :- La prise en compte de limpact des granulats sur la rsistance ncessite d e bien prendre en

compte les interfaces pte/granulats. Bien quune segmentation des diffrents types de

granulats relativement simple, par exemple concasss ou rouls, calcaires ou siliceux,permette de pondrer le potentiel de rsistance long terme, il est beaucoup plus dlicat dedcrire limpact du squelette granulaire sur les performances aux jeunes ges. Dun point de

vue modlisation, la prise en compte de limpact des interfaces ncessite de dcrire


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mcaniquement les risques de dcohsion, ce qui reste complexe dun point de vuethorique.

- Lvolution des performances dun bton dpend fortement de facteur microstructurauxsupplmentaires non totalement lucids dans le cas des ciments composs. Par exemple, lateneur en sulfate est un facteur cl doptimisation des rsistances qui dpend naturellementde la composition des liants. Il en va de mme de la teneur en alcalins de la pte de ciment,voire de la temprature. Tous ces leviers impactent la microstructure mais cela reste trs

difficile capturer dun point de vue de la modlisation ce jour.

Conclusion

Nous avons abord dans cet article des approches avances de formulation des btons tant dun

point de vue rhologique que de rsistance mcanique. Depuis une centaine dannes, desconnaissances fondamentales ont t labores qui ont permis de faire du bton un matriauuniversel et performant. Cependant, la technologie du bton est actuellement en pleine mutation,tire, dune part, par lutilisation de plus en plus courante dadjuvants et, dautre part, parlutilisation de ciments composs. Heureusement, des connaissances acquises dans le domaine de la

science des matriaux permettent aujourdhui de revisiter les rgles historiques afin de maitriser au

mieux le potentiel des btons de demain.

Ces approches scientifiques ne remettent pas fondamentalement en question les acquis du pass,mais elles permettent daller chercher beaucoup plus rapidement des effets de premiers ordres, etsurtout de prendre en compte une complexit accrue. En effet, le bton du dbut du vingtime sicletait constitu de 4 composants (eau, ciment, sable, gravillon) alors que les btons modernes, dontle cahier des charges sest aussi tendu,sont en moyenne le rsultat dune optimisation sur 6 8composants (plusieurs adjuvants, des fines dadditions).Malgr les progrs accomplis au cours des dernires dcennies dans le domaine de la formulationdes btons, il nen demeure pas moins que la formulation dun bton pour rpondre un cahier des charges toujours plus complexe nest pas encore totalement informatise. Un certain savoir-fairedemeure ncessaire,pour ne pas dire que la formulation reste un vrai domaine dexpertise.

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