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THESE DE DOCTORAT

Prsente

LCOLE NORMALE SUPRIEURE DE CACHAN

Spcialit:

MECANIQUE GENIE MECANIQUE GENIL CIVIL

Par

M. PHAN Trung Hieu

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN

Sujet de la Thse:

Rhologie et Stabilit des ptes de ciment utilises dans la formulation des Btons Fluides.

Soutenue le 19/01/07 devant le jury compos de:

MonsieurGuillaume RACINEUX,

Rapporteur

Monsieur Lazhar BENYAHIA

Rapporteur

MonsieurHenri VANDAMME,

Examinateur

MonsieurJean AMBROISE,

Examinateur

Madame Micheline MORANVILLE,

Examinatrice

Monsieur Mohend CHAOUCHE,

Directeur de Thse

Secteur Gnie Civil et Environnement

Laboratoire de Mcanique et de Technologie

E.N.S. de Cachan / C.N.R.S. / Universit Paris VI

61, avenue du prsident Wilson 94235 Cachan Cedex (France)

Remerciements

Je tiens remercier tout particulirement M. Mohend CHAOUCHE pour la confiance quil ma accorde tout au long de ma thse ainsi que pour le temps quil ma consacr.

Je suis reconnaissant M. Guillaumme RACINEUX et M. Lazhar BENYAHIA davoir accept de rapporter cette thse ainsi qu M. Henri VANDAMME de mavoir fait lhonneur de faire partie du jury.

Je tiens remercier toute lquipe du LMT pour laccueil quelle ma rserv et lambiance dans laquelle ce travail a t ralis.

Je remercie M. Grard BERNIER qui ma donn des conseils prcieux pendant ma thse et ses discussions scientifiques trs intressantes.

Je remercie galement M. Jean AMBROISE et M. Jean PERA de lINSA pour nous avoir initis la formulation des btons auto-plaants et nous avoir fourni la matire premire.

Je ne saurais oublier mes collgues du secteur Gnie Civil & Environnement qui ont su crer un agrable climat de travail.

Enfin, jexprime toute ma gratitude Pr. Micheline MORANVILLE pour mavoir accept au sein de secteur Gnie Civil & Environnement.

Table des matires

1Remerciements

2Table des matires

6Table des figures

11Table des tableaux

12PRAMBULE

151.Chapitre I: Les btons Auto-plaants (BAP)

161. Introduction

182. Les btons auto-plaants:

182.1 Principes de formulation

182.2 Formulation des btons autoplaants

252.3 Proprits gnrales des btons autoplaants ltat frais

282.4 Proprits mcaniques et durabilit

293. Les adjuvants organiques et minraux

293.1 Les adjuvants organiques

383.2 Les ajouts minraux (ou fillers)

404. La structure des suspensions de ciment

414.1 Microstructure de la pte de ciment

454.2 Bilans des forces des suspensions:

474.3 Modle du grain unique

504.4 Les interactions entre deux grains dans l'eau

554.5 La structure des ptes de ciments

574.6 Les paramtres influant sur les mesures rhologiques des ptes

625. Matriaux et formulation

625.1 Matriaux utiliss

665.2 Formulation du BAP

675.3 Formulation des ptes

685.4 Procdure

686. Conclusion du chapitre

69Refrences

732.Chapitre II: Notions de base de la rhologie

741. Introduction

742. Conception de base de la rhologie

742.1. Concentration volumique solide

752.2. Indice des vides, porosit

752.3. Le coefficient de consolidation Cv [m2/s]

762.4. La permabilit k [m/s]

762.5. Contrainte de cisaillement [Pa]

762.6. Vitesse de cisaillement [s-1]

772.7. Viscosit dynamique [Pa.s]

782.8. Seuil de cisaillement

793. Comportements rhologiques

793.1. Lois de comportement rhologique

813.2 La thixotropie et antithixotropie

843.3 Modle comportement rhologique

873.4 Modle structuraux:

883.5 Structuration-destructuration:

904. Conclusion du chapitre et de la partie 1

92Rfrence:

963.Chapitre III: Rhologie des ptes de ciment du bton auto plaant

971. Introduction

972. Rhomtrie des suspensions

982.1 Les rhomtres traditionnelles

992.2 Les avantages et inconvnients des rhomtres Couette

1032.3 Rhomtre utilise dans cette tude

1043. Discussion de la viscosit apparente

1043.1 Influence du superplastifiant sur la viscosit

1083.2 Influence de lagent viscosant

1104. Viscosit au rgime transitoire

1104.1 Introduction

1114.2 Pte rfrence en rgime transitoire

1145. Viscosit en rgime tabli

1145.1 Rhogramme typique de la pte

1165.2 Influence du dosage en agent viscosant sur le comportement ltat stationnaire

1176. La conductivit

1176.1 Introduction

1186.2 Conductivit ltat stationnaire

1237. Conclusion du chapitre

125Rfrences:

1284.Chapitre IV: Thixotropie des ptes de ciment

1291. Introduction

1292. Mthode de mesure de la thixotropie

1313. Thixotropie en mesures oscillatoires

1323.1 Dtermination du rgime linaire

1333.2 Influence du temps de dfloculation sur la thixotropie

1333.3 Influence de la vitesse de dfloculation sur la thixotropie

1343.4 Influence du temps de mesure sur la thixotropie

1384. Effet du dosage des adjuvants sur la thixotropie

1384.1 Influence du dosage en superplastifiant sur la thixotropie

1394.2 Influence du dosage en agent viscosant sur la thixotropie

1415. Effet du type de superplastifiant sur la thixotropie

1426. Conclusion

143Rfrence:

1445.Chapitre V: Stabilit des ptes cimentaires

1451. Introduction

1452. L'essai compression simple

1452.1 Contexte d'utilisation

1462.3 Description de l'essai d'crasement

1472.4 Rsultats et interprtations

1552.5 Conclusion

1553. Ouvrabilit des ptes de ciment

1553.1 Mthode pour dterminer louvrabilit des ptes:

1593.2 Influence des adjuvants sur louvrabilit

1653.3 Conclusion

1654. Conclusion du chapitre

167Rfrence:

168Conclusions gnrles

171Liste des publications

171Liste des articles dans les journaux

172Annexe

173Annexe 1: Fiches techniques des matriaux utiliss

181Annexe 2: Quelques rsultats complmentaires

183Annexe 3: Etalement des ptes et des mortiers du BAP

1842) Influence du dosage en superplastifiant

1853) Influence du dosage en agent de viscosit

Table des figures

18FIG. 11: Interaction entre leau et les polysaccharides (daprs [Hasni 1999])

25FIG. 12: Phnomne de blocage des granulats au droit dun obstacle.

26FIG. 13: Formulations dun BSI/CERACEM ( gauche) et du Ductal ( droite).

27FIG. 14: Dfloculation des grains de ciment par ladjuvant organique.

28FIG. 15: Mode daction des rducteurs deau sur le ciment.

28FIG. 16: Thorie DLVO forces de coeur dur, de Van der Waals et de double couche lectrique.

29FIG. 17: Double couche de Gouy et Chapman. s est le potentiel la surface de la particule et H est le potentiel du plan o la couche diffuse commence (galement appel plan de Helmholtz extrieur [Hunter, 2002]).

30FIG. 18: La bonne image de la cohsion du ciment.

30FIG. 19: schma gnral de la molcule des polylectrolytes.

31FIG. 110: Reprsentation schmatique des polymres :

31FIG. 111: Schma gnral des co-polymres.

31FIG. 112: Reprsentation schmatique de la formule de polycarboxylate (PC) [Hasni 99].

32FIG. 113: Reprsentation schmatique de la force entre deux surfaces avec des copolymres en peigne adsorbs en fonction de la distance de sparation [Flatt 2004].

32FIG. 114: Schma des forces exerces entre un ensemble de particules de ciment sur lesquels sont adsorbs des copolymres de polycarboxylates avec des chanes PEO [Li, 2004].

33FIG. 115: Schma gnral des phosphonates (gauche) et des di-phosphonates (droite).

33FIG. 116: Illustration de lexplication du long maintien douvrabilit en prsence de co-polymres avec des chanes polyethylne oxydes [Sakai et Daimon 1997].

34FIG. 117: Ractivit du ciment formation de la phase organo-minrale [Flatt, 2001].

35FIG. 118: Reprsentation schmatique de leffet de la teneur en sulfates dans le ciment [Flatt 2001]

36FIG. 119: Illustration de la prcipitation de la phase organo-minrale, dans le cas de laddition directe du superplastifiant et celle de laddition retarde [Flatt 2001].

39FIG. 120: Evolution schmatique de la quantit de chaleur dgage lors de lhydratation [Taylor 1997]...

40FIG. 121: Priode de dbut du gchage [Vernet et Cadoret 1992]

40FIG. 122: Priode dormant [Vernet et Cadoret 1992]

40FIG. 123: Priode de prise [Vernet et Cadoret 1992]

41FIG. 124: Priode de durcissement [Vernet et Cadoret 1992]

41FIG. 125: Priode de ralentissement [Vernet et Cadoret 1992]

42FIG. 126: Micrographie lectronique: C-S-H, Ettringite & CH dans le ciment

48FIG. 127: Schma de la force de Van der Waal et de rpulsion entre deux atomes

49FIG. 128: Schma de lnergie potentielle en fonction de la distance r

50FIG. 129: Energie entre deux faces parallles attractives

51FIG. 130: Energie entre deux faces parallles rpulsives

52FIG. 131: Energie entre deux faces parallles

53FIG. 132: Schma de la structure flocule de la pte de ciment

54FIG. 133: Modle destructure par cisaillement de la pte de ciment

55FIG. 134. Effet dstructurant du malaxage et recomposition structurelle au repos [KHAYAT, 2002][21]

57FIG. 135. Effet de C3A et de SO3 sur le seuil [SUHR, 1991] [25]

58FIG. 136. Effet de lair occlus sur les grandeurs rhologiques (g et h) sur trois btons [KHAYAT, 2002] [21]

59FIG. 137. Effet de la temprature sur laccroissement de la viscosit plastique (not ici ct) sur btons non adjuvants [MURATA et KUKOKAWA., 1997] [20]

59FIG. 138. Effet de la temprature sur laccroissement de g et h sur btons faiblement adjuvantes [GOLASZEWKI et SZWABOWSKI, 2003] [27]

60FIG. 139. Variation de g et h avec le temps sur btons faiblement fluidifis composs de diffrents liants 20C [GOLASZEWKI et SZWABOWSKI, 2003] [27]

62FIG. 140: La granulomtrie du ciment () et du filler ()

75FIG. 21: Schma de la vitesse de cisaillement

75FIG. 22: Schma glissement des couches

77FIG. 23: rhogrammes des types de comportement rhologique

80FIG. 24: Le corps thixotropique

80FIG. 25: Comportement dun corps thixotrope

81FIG. 26: La variation de la viscosit en fonction du temps dun systme thixotropique sous linfluence dune contrainte de cisaillement maintenue constante

82FIG. 27: Rhogramme dun systme prsentant une antithixotropie

84FIG. 28: Modle Herschel-Bulkley en variant c et o

86FIG. 29: Rupture des US sous cisaillement et rhofluidication des suspensions

96FIG. 31: Gomtries de cisaillement de type Couette.

99FIG. 32: Gomtrie de Couette cylindrique.

100FIG. 33: Les diffrentes gomtries des cylindres co-axiaux

101FIG. 34: Rhomtre Stresstech V3.3

102FIG. 35: Comportement en cisaillement dans un cycle de mont-descente-remont de la pte PAP de rfrence: () monte; () descente; () remonte.

103FIG. 36: Comportement en cisaillement dans un cycle de mont-descente-remont en cisaillement en diminuant le dosage en superplastifiant a) PAP-40SP; b) PAP-20SP.

103FIG. 37: Comportement en cisaillement dans un cycle de mont-descente-remont en cisaillement en augmentant le dosage en superplastifiant a) PAP+40SP; b) PAP+20SP.

103FIG. 38: Effet du changement du dosage en SP sur les rhogramme des ptes PAP:

105FIG. 39: Application du modle Krieger-Dougherty aux ptes de ciment [18]

105FIG. 310: Comportement rhologique des ptes PAP en changeant le dosage du SP:

106FIG. 311: Viscosit de la pte en diminuant 40%Av (a) et en augmentant 40%Av (b)

107FIG. 312: Influence du dosage en AV sur la viscosit des ptes PAP:

107FIG. 313: Comportement rhologique des ptes PAP en changeant le dosage en AV

108FIG. 314: Viscosit-temps de 3,23% carbone noir dans lhuile minrale aux diffrentes vitesses.

109FIG. 315: Schma pour dterminer le comportement rhologique

109FIG. 316: Schma de la procdure de la charge pour mesurer la viscosit transitoire

110FIG. 317: Viscosit en fonction du temps pour diffrentes vitesses de cisaillement de la pte de rfrence PAP

111FIG. 318: Viscosit en fonction du temps de la pte de filler calcaire quivalente

112FIG. 319: Influence de ltat initial sur le comportement rhologique transitoire avec une vitesse de de 70 s-1: () sans prcisaillment; () avec prcisaillement 100 s-1 pendant 1mm.

113FIG. 320: Comportement rhologique en rgime tabli dans le cas de la pte rfrence

113FIG. 321: Contrainte en fonction du temps pour diffrentes vitesses de cisaillement de la pte rfrence PAP

114FIG. 322: Viscosit en rgime tabli des ptes de diffrents dosages en AV

115FIG. 323: Effet du changement de dosage en AV sur la viscosit de la phase fluide

118FIG. 324: Matriel de lessai conductivit

118FIG. 325: Dtail de la cellule conductimtrique

119FIG. 326: Disposition des cellules

119FIG. 327: Conductivit des ptes en changeant le dosage en AV

120FIG. 328: Retard de lapparition du maximum de conductivit en changeant le dosage en AV

120FIG. 329: Conductivit des ptes en changeant le dosage en SP

121FIG. 330: Faible retard lhydratation du au SP

128FIG. 41: Mthode de mesure de la thixotropie daprs Ghezal et Khayat [3]

128FIG. 42: Deux types procdures pour la reprise de thixotropie

129FIG. 43: Procdure pour caractriser le comportement thixotrope

130FIG. 44: Rponse typique du matriau la sollicitation reprsente sur la figure 4-3.

130FIG. 45: Dtermination du rgime linaire o la pte ne subit pas de dstructuration.

131FIG. 46: Influence du temps de dfloculation sur la thixotropie

132FIG. 47: Influence de la vitesse de dfloculation sur la thixotropie, cas dune pte de filler calcaire sans ciment.

133FIG. 48: Influence de lge de la pte sur le comportement thixotropique

133FIG. 49: Influence du temps de mesure sur la thixotropie de la pte de filler

134FIG. 410: Influence du temps de mesure sur la thixotropie de la pte sans filler

134FIG. 411: Le comportement thixotropique des ptes

135FIG. 412: Influence du temps sur la reprise de la viscosit pour les types de superplastifiant diffrentes a) optima 100; b) optima 175

136FIG. 413: Linfluence du dosage en superplastifiant sur la thixotropie

137FIG. 414: Influence du dosage en superplastifiant sur la thixotropie aprs 1h

138FIG. 415: Influence du dosage en agent viscosant sur la thixotropie

138FIG. 416: Influence du dosage en agent viscosant sur la thixotropie aprs 1h

139FIG. 417: Adsorption (a) et viscosit (b) des polymres (Mosquet, 2003)

140FIG. 418: Linfluence du type de superplastifiant sur la thixotropie a) to; b) aprs 1h

144FIG. 51: Schma de lessai dcrasement

145FIG. 52: Photo de lessai dcrasement

146FIG. 53: Evolution de la force en fonction du dplacement pour une pte ordinaire P.O en variant la vitesse dcrasement ( 0,1mm/mn; 1mm/mn; 10mm/mn; 100 mm/mn).

147FIG. 54: Comportement rhologique de la pte PO en cisaillement obtenue avec un rhomtre de type Couette ( exprimental; modle en loi de puissance)

147FIG. 55: Evolution de la force en fonction de la vitesse diffrentes paisseurs

148FIG. 56 Effet de lge sur le comportement en crasement de la pte ordinaire P.O

149FIG. 57: Evolution de la force en fonction du dplacement pour diffrentes vitesses dcrasement dans le cas de la pte PAP

150FIG. 58: La force en fonction de la vitesse aux diffrents paisseurs de la pte PAP

150FIG. 59: Effet de lge sur les efforts dcrasement de la pte PAP

151FIG. 510: Comportement rhologique en cisaillement de la pte PAP

154FIG. 511: Rgime dcoulement de la pte PAP

154FIG. 512: Rgime de blocage de la pte PAP

155FIG. 513: Dtermination de lpaisseur de blocage en comparant la loi de Scott avec les rsultats exprimentaux.

156FIG. 514: Dtermination de lpaisseur de blocage en comparant la loi de Scott avec les rsultats exprimentaux.

156FIG. 515: Zone douvrabilit des ptes PO et PAP

157FIG. 516: Comportement dcrasement dune pte avec - 40%SP par rapport au dosage de rfrence

158FIG. 517: Comportement dcrasement de la pte avec -20%SP

158FIG. 518: Comportement dcrasement de la pte avec +20%SP

159FIG. 519: Comportement dcrasement de la pte avec 40%SP

159FIG. 520: Zones dcoulement et de blocage des ptes PAP en fonction du dosage en SP ( droite des courbes on a coulement et gauche on a blocage )

161FIG. 521: Comportement dcrasement de la pte avec 40%AV

161FIG. 522: Comportement dcrasement de la pte avec - 40%AV

162FIG. 523: Comportement dcrasement de la pte sans AV

162FIG. 524: Zones dcoulement et de blocage des ptes PAP en changeant le dosage en AV ( droite des courbes on a coulement et gauche cest le blocage )

Table des tableaux

21Tab. 11 : Type de formulation selon lapproche de lINSA de Lyon, pour un BAP de rsistance en compression de 40MPa et incluant un agent viscosant.

21Tab. 12: Caractristiques ncessaires lobtention dun BAP de rsistance en compression de 60MPa.

23Tab. 13: Formulation d'un BAP contenant des fines.

23Tab. 14: Formulation d'un BAP contenant un agent viscosant.

24Tab. 15: Exemple de formulation japonaise.

24Tab. 16: Exemple de formulation canadienne.

35Tab. 17: Nom des sulfates alcalins influant la rhologie des ptes de ciment.

38Tab. 18: Echantillons des diverses compostions des fumes de silice dans le mortier [De Larrard 2000].

43Tab. 19: Diffrents C-S-H naturels et synthtique

62Tab. 110 Proprit chimique et physique du ciment CEM I 52,5

62Tab. 111: Proprit chimique et physique du filler A Piketty

65Tab. 112: Formulation du bton BAP

66Tab. 113: Formulation de la pte rfrence

66Tab. 114: Formulation de la pte PAP

67Tab. 115: Procdure de fabrication de la pte

107Tab. 31: Paramtres rhologiques des ptes PAP avec diffrent dosage en SP.

108Tab. 32: Les paramtres rhologiques des ptes PAP diffrents dosages en AV

PRAMBULE

Depuis sa cration dans les annes 1980, le bton auto plaant sest dvelopp et saffirme dsormais comme une technique porteuse qui remplacera terme la technique classique des btons vibrs dans nombre dapplications.

C'est un bton fluide, homogne et stable, mis en uvre sans vibration (la compaction d'un BAP s'effectue par le seul effet gravitaire) et confrant la structure une qualit au moins quivalente celle correspondant aux btons classiques mis en uvre par vibration. Ces btons ont t dvelopps d'abord au Japon, puis au Canada et en Europe dans le cadre du Projet Brite-Euram. Les applications vises sont essentiellement celles des ouvrages de Gnie Civil. Les btons proposs sont trs visqueux et trs sensibles une lgre variation du dosage en eau. Par ailleurs, le surcot dun tel bton par rapport au bton traditionnel est difficilement supportable par les entreprises. Paralllement ces travaux, des btons autonivelants (BAN), moins visqueux, plus robustes, ont t dvelopps. Ces derniers sont principalement destins au coulage dlments horizontaux de btiment: dalles de compression, dallages industriels, chapes flottantes.

Les BAP et BAN, doivent tre en mme temps tre fluides et stables: ncessit de rsistance la sgrgation et au ressuage afin de consolider le mlange tout en assurant une suspension homogne pendant ltalement, jusquau durcissement. Il ny a pas de mthodologie pratique de formulation qui soit bien tablie, afin de fabriquer des btons fluides, partir des donnes de base sur les matriaux locaux et un cahier des charges prcis.

En tenant compte du paragraphe prcdent, il nous semble pertinent de regrouper les btons auto plaant (BAP) et autonivelants (BAN) dans une mme catgorie les Btons fluides, afin d'largir la problmatique des tudes et ainsi de rechercher des solutions gnrales grce une approche globale.

Cette proposition de recherche sinscrit dans la suite de la ligne F du projet National Btons Autoplaants qui est une opration du Rseau Gnie Civil et Urbain (RGC&U).

Le but de ma thse est donc de concilier les proprits rhologiques des BAN avec les proprits rhologiques des BAP l'tat frais. En effet, les BAP sont trs visqueux et trs sensibles une lgre variation du dosage en eau, tandis que les BAN sont moins visqueux, plus robustes vis--vis la variation du dosage en eau. Alors, la conciliation de ces deux aspects conduit des formulations complexes et pointues mettant en jeu un ensemble de constituants minraux et organiques (viscosants et superplastifiants). La robustesse des formulations des BAP est lun des points majeurs quil est ncessaire de matriser avant de considrer un emploi industriel de ces btons.

Pour cela, nous nous sommes intresss au comportement rhologique, en particulier aux proprits de thixotropie (volution des proprits rhologiques en fonction du temps). Lavantage dune pte thixotrope est quelle peut reprendre sa consistance initiale aprs lavoir perdu suite des sollicitions (transport, etc.). Elle peut donc continuer maintenir les granulats en suspension. Par ailleurs, notre intrt a t port sur les essais dcrasement. Ils permettent de caractriser la stabilit et lhomognit du mlange durant lcoulement. Cest un aspect important considrer car il qualifie la permabilit du mlange et la cohsion entre ses constituants lorsquil est soumis des contraintes plus ou moins leves. Une partie exprimentale est centre sur ltude des ptes de ciment et des micromortiers.

Ce mmoire est divis en 5 chapitres rpartis sur 2 parties. La premire partie est essentiellement bibliographique, alors que dans la deuxime partie nous rapportons et discutons les rsultats exprimentaux.

Le chapitre 1 est consacr au matriau BAP, incluant une tude bibliographique et une description des formulations adoptes dans ce travail. Nous commenons par la composante importante du bton qui va influencer fortement le comportement rhologique. Il sagit de la suspension cimentaire. Ensuite sont rapportes les principales mthodes de formulation dun bton autoplaant. Nous discutons en particulier du rle des adjuvants organiques et minraux sur les proprits rhologiques de la pte de ciment et du bton. Le chapitre se termine par la description de la formulation des ptes et des matriaux utiliss dans cette thse.

Le chapitre 2 prsente des conceptions de base de la rhologie avec les dfinitions des paramtres principaux et des types de comportement rhologique. Contrairement dautres types de matriau (plastiques, boues de forage, etc.) la rhologie dans le cas des btons sest pendant longtemps limit des tests simples (talement, affaissement, etc.). Toutefois depuis lapparition des btons fluides il existe un besoin fort dtudes rhologiques plus labores. La science de la rhologie est ainsi une discipline relativement rcente dans le domaine des btons. Il nous a paru ainsi utile dinclure dans ce mmoire les notions de base en rhologie afin davoir un document self-consistant.

La deuxime partie est la partie exprimentale qui se compose 3 chapitres.

Le chapitre 3 est consacr ltude exprimentale du comportement rhologique de la pte de ciment en cisaillement simple en utilisant la gomtrie de Couette. Dans ce chapitre nous nous concentrons sur les proprits rhologiques ltat stationnaire. Nous montrons que le comportement des ptes nest pas monotone sur toute la gamme de taux de cisaillement utiliss ici. Les paramtres rhologiques intrinsques du matriau (seuil de cisaillement, indice de fluidit et consistance) sont dtermins ltat stationnaire en fonction des paramtres de la formulation (concentration en adjuvants).

Le chapitre 4 est consacr au comportement thixotropique de la pte de ciment (dpendance du comportement rhologique en fonction du temps). Dans ce travail nous considrons que la thixotopie concerne lvolution des proprits du matriau au repos suite une sollicition. Pour dterminer les proprits au repos le matriau est soumis un cisaillement oscillant dans le rgime linaire. L aussi nous considrons linfluence des adjuvants organiques sur la thixotropie.

Le dernier chapitre concerne ltude de la stabilit de la pte par rapport la sparation liquide-granulats. Nous montrons quun essai de compression simple permet de dteminer les conditions dans lesquelles on peut avoir sparation de phases.

1. Chapitre I: Les btons Auto-plaants (BAP)

151.Chapitre I: Les btons Auto-plaants (BAP)

161. Introduction

182. Les btons auto-plaants:

182.1 Principes de formulation

182.2 Formulation des btons autoplaants

252.3 Proprits gnrales des btons autoplaants ltat frais

282.4 Proprits mcaniques et durabilit

293. Les adjuvants organiques et minraux

293.1 Les adjuvants organiques

383.2 Les ajouts minraux (ou fillers)

404. La structure des suspensions de ciment

414.1 Microstructure de la pte de ciment

454.2 Bilans des forces des suspensions:

474.3 Modle du grain unique

504.4 Les interactions entre deux grains dans l'eau

554.5 La structure des ptes de ciments

574.6 Les paramtres influant sur les mesures rhologiques des ptes

625. Matriaux et formulation

625.1 Matriaux utiliss

665.2 Formulation du BAP

675.3 Formulation des ptes

685.4 Procdure

686. Conclusion du chapitre

69Refrences

1. Introduction

Les btons auto-plaants (B.A.P) sont des btons trs fluides, homognes et stables, mis en uvre sans vibration. D'autres expressions sont aussi utilises: bton autocompactable, bton trs fluide ou des expressions anglo-saxonnes: self compacting concrete, self levelling concrete, high fluidity concrete.

Son dveloppement a commenc au Japon la fin des annes 1980 pour des raisons conomiques (rduction de la main doeuvre, rapidit de mise en place) et sest progressivement rpandu dans le reste du monde. En effet, la qualit de matriau autoplaant confre au bton plusieurs avantages techniques et socio-conomiques par rapport au bton ordinaire [1] :

Avantages techniques :

Facilit et rapidit dans la mise en oeuvre du bton (coulage en un seul point, augmentation du dbit de bton pomp).

Btonnage en milieux fortement ferraills.

Amlioration de la qualit des parements et de lenrobage des aciers.

Ralisation dlments de forme plus complexe.

Avantages socio-conomiques :

Rduction du cot de la main doeuvre.

Absence de systmes de vibration (intrieurs ou extrieurs) rduisant ainsi les cots et les nuisances sonores dans et au voisinage du chantier.

Rduction du temps de btonnage et des besoins de ragrage.

Toutefois, certains points restent surveiller dans lutilisation du bton autoplaant :

Augmentation du cot des matires premires, par la prsence des nouveaux adjuvants, et des diffrentes additions minrales.

Compatibilit des matriaux.

Etanchit des coffrages.

Certains font une distinction entre le bton auto-plaant qui est employ pour un coulage vertical et le bton auto-nivelant qui correspond une mise en uvre horizontale.

Le bton est constitu de composants de caractristiques morphologiques, mcaniques et physico-chimiques trs diffrentes : ciment, granulats, eau, air, et ventuellement adjuvants ou ajouts.

Chacun de ces lments joue un rle diffrent dans le comportement du bton frais, pendant la prise et le durcissement. Mme l'tat frais, les interactions des diffrentes phases sont nombreuses et l'tude du comportement rhologique de l'ensemble devient particulirement difficile si on dsire la conduire en analysant l'influence de tous les lments.

Une premire simplification consiste considrer le bton frais comme un matriau deux phases : une phase visqueuse constitue par la pte de ciment et une phase granulaire compose par l'ensemble des granulats. Des travaux ont dj t faits dans ce domaine, qui montrent que cette schmatisation peut constituer une approche intressante de la ralit dans la mesure o la teneur en eau de la pte est calcule en tenant compte de l'eau de gchage retenue par les granulats.

A travers ces tudes, il apparat que la pte joue un rle fondamental et qu'il serait vain de vouloir comprendre le comportement rhologique du bton frais sans connatre celui de la pte qui le compose. C'est grce cette connaissance que pourront s'expliquer les aptitudes du bton frais au malaxage, au transport sans sgrgation, la mise en place, au serrage, etc.

Dans ce premier chapitre, on va aborder des connaissances rcentes sur le bton auto plaant au point de vue de rgles de formulation, des proprits rhologiques, des proprits mcaniques et des caractristiques de durabilit. Nous y incluons galement une bibliographie plus concise qui regroupe les tudes dj effectues sur leffet des constituants secondaires du bton tels que les superplastifiants et les fillers minraux que lon rajoute pour acqurir une ouvrabilit apprciable ainsi que les agents viscosants quant leur rle dans la diminution du ressuage et de la sgrgation. Par la suite nous discutons de la microstruture des ptes de ciment, des interactions entre les grains et les paramtres influant sur la rhologie de la pte. Enfin, on parlera des formulations et des matriaux utiliss dans cette thse.

2. Les btons auto-plaants:

2.1 Principes de formulation

La distribution optimise ne doit pas conduire uniquement une forte compacit. Il est essentiel de concevoir des mlanges granulaires qui soient moins propices la sgrgation, en dautres termes qui soient stables. En effet, entre le malaxage et la mise en place du bton, les mlanges granulaires sont soumis des acclrations par la gravit, les chocs externes et/ou la vibration, qui sont susceptibles de provoquer certaines sparations au sein du mlange. Une sgrgation importante dans le bton cre des variations spatiales des proprits qui se traduisent au niveau visuel, des rsistances, du module dlasticit et du retrait. Ce dernier peut provoquer son tour des fissures qui affaiblissent la durabilit de la structure. Quelques constats exprimentaux vis--vis de la sgrgation :

Pour tout mlange granulaire, le serrage (voir plus loin pour la dfinition) rduit le risque dune sgrgation ultrieure.

Dans des mlanges optimiss ayant le mme indice de serrage et la mme tendue granulaire, le mlange de granularit continue sgrgera moins facilement que celui de granularit discontinue. Dans un empilement binaire, il existe un diamtre critique de particule en de duquel les grains fins peuvent circuler dans la porosit des gros grains ; il est de lordre de (D/6)6. Alors, si tous les matriaux fins sont plus fins que cette taille critique, la sparation du mlange sera facilite.

2.2 Formulation des btons autoplaants

Raliser un bton autoplaant est une opration complexe qui ncessite de trouver une bonne combinaison de matriaux compatibles, et le dosage convenable de chacun de ces constituants afin dobtenir une formulation rpondant aux proprits des BAP.

Il existe une trs grande varit de matriaux dans le monde, et il est clair que les matriaux utiliss ont des influences varies sur lcoulement du bton. Ceci implique quil est impossible de raliser une formulation universelle de bton auto plaant; chaque chantier utilisant ses propres matriaux (matriaux locaux) doit mettre au point sa propre formulation. La varit de matriaux peut conduire aussi des comportements diffrents tous les niveaux (ouvrabilit, rhologie, rsistance).

Plusieurs approches de formulation des BAP ont t labores travers le monde (approche japonaise, approche sudoise, etc.) pour rpondre aux exigences douvrabilit de ce type de bton. En France, actuellement il existe essentiellement trois types dapproches : approche du LCPC, approche de lINSA de Lyon, approche de Jean-Marie Geoffray (CETE de Lyon).

Deux grandes familles prvalent actuellement :

La premire [2,3] concerne des formulations fortement doses en ciment et contenant une proportion deau rduite. La quantit de ciment trs importante (450 600 kg/m3) est ncessaire pour augmenter le volume de pte afin damliorer la dformabilit du mortier. Ce volume important de pte limite par consquent les interactions inter-granulats (dont la quantit est paralllement diminue) et lutilisation dadjuvants tels que les superplastifiants et les agents de viscosit qui permettent den contrler la fluidit et la viscosit. Cette approche de formulation conduit toutefois des btons de hautes performances mcaniques (BHP), onreuses et mal adapts des ouvrages courants.

Une deuxime famille de formulations repose sur le remplacement dune partie du ciment par des fines minrales [4]. Ces additions, comme les fillers calcaires par exemple, permettent dobtenir un squelette granulaire plus compact et plus homogne. La quantit dadjuvant ncessaire lobtention dune fluidit et dune viscosit donnes est alors diminue. Leur utilisation conduit galement conserver des rsistances mcaniques et des chaleurs dhydratation raisonnables.

Des tudes ont aussi montr l'importance des gros granulats, entre autres les granulats rouls, sur la fluidit des btons autonivelants. Yurugi et al. [5] considrent que le volume des gros granulats (suprieurs 5mm) est l'un des facteurs le plus important prendre en compte. En effet, ils ont constat que plus la teneur en gros granulats augmente, plus la capacit de remplissage diminue.

2.2.1 Particularits de la composition des btons auto-plaants

Un volume de pte lev

Les frottements entre granulats limitent ltalement et laptitude au remplissage du bton. Cest pourquoi, les BAP contiennent un volume de pte (ciment + additions fines + eau efficace + air) important, typiquement de 330 400 l/m3, dont le rle est dcarter les granulats les uns des autres.

Comme ces btons renferment un volume lev de pte, leurs dformations sont plus importantes que pour des btons ordinaires de mme rsistance mais de rhologie conventionnelle (slump compris entre 15 et 25cm).

Une quantit de fines (> 1, le mcanisme de filtration est dominant. Dans ce cas l'effort normal va augmenter lorsque la vitesse de dplacement diminue.

Pour Pe