Soutenance mémoire
Le béton, matériau par excellence plus que centenaire, subit des incessantes évolutions tant dans l’amélioration de ses performances intrinsèques que dans ses utilisations en association avec d’autres matériaux qui lui confèrent d’autres propriétés. Dans un premier temps les chercheurs se sont focalisés sur l’augmentation des résistances en compression car c’était le paramètre atout majeur du béton. Ainsi, au milieu du 20eme siècle la résistance moyenne en compression à 28 jours tournait autour de 25 Mpa. Le premier règlement aux états limites français, le BAEL 1980 envisageait des bétons allant jusqu’à des résistances de 40 Mpa. Dans son édition suivante, celle de 1991 celle-ci était étendue à 60 Mpa. Dans la dernière édition, celle de 1999 elle est portée à 80 Mpa. Parallèlement à la notion de Béton à Haute Résistance se substituait la notion de Bétons à Hautes Performances. Ainsi ses performances en durabilité, en comportement différé, retrait, fluage, ont pu être améliorées. Une seule caractéristique résistait à l’amélioration globale du matériau, c’était celle de la résistance en traction. Ainsi pour des bétons de résistance en compression jusqu’à 40Mpa, on admet que la résistance en traction varie linéairement en fonction de celle en compression. Pour les bétons de résistance supérieure, elle est une fonction puissance d’exposant inférieur à 1. Les progrès obtenus en traction n’allaient donc pas de pair avec le comportement en compression. De plus, non seulement, la résistance en traction n’augmentait pas aussi vite que les autres performances mais encore le matériau amélioré présentait une fragilité accrue en traction. Il a alors été envisagé de rajouter d’autres éléments dans le composite multiphasique qu’est le béton, des éléments de la même échelle que les granulats : des fibres métalliques ou synthétiques dont le but devait être d’améliorer ce mauvais comportement du béton tendu.
HISTORIQUE ET DEVELOPPEMENT
Le concept des bétons autoplaçants (BAP) a été crée et développé par des chercheurs japonais vers la fin des années 80 à partir de la mise au point de nouveaux adjuvants organiques. En Europe et en France en particulier, l’intérêt pour ces bétons est apparu seulement vers la fin des années 90 aussi bien dans le domaine du béton prêt à l’emploi (BPE) que dans celui de la préfabrication. Ces bétons très fluides, mis en place sans vibration même dans les structures complexes et fortement ferraillées, présentent de nombreux avantages :
• Diminution du bruit ;
• Diminution de la pénibilité du travail ;
• Augmentation des cadences de coulage ;
• Meilleur état fini des parements ;
Toutefois, comme pour tout nouveau matériau, il est nécessaire de connaître les spécificités des bétons autoplaçants BAP (ou bétons autonivelants (BAN) utilisés pour les dallages). Nous présentons dans ce chapitre une synthèse bibliographique sur le béton autoplaçant en tant que matériau. Et toujours dans le même contexte (bibliographie), nous analyserons ensuite dans le 2eme chapitre, l’influence des fibres sur les paramètres assurants le caractère autoplaçant et leurs adhérence avec le béton. Le troisième chapitre sera consacré à la formulation des bétons autoplaçants et bétons autoplaçants fibrés.
La Synthèse de cette étude nous conduira à étudier les caractéristiques à l’état frais (mobilité dans différents milieux : confiné et libre), ensuite le comportement à l’état durci, (compression, traction par fendage et flexion), et à la lumière de ces essais de caractérisation, dégager un mélange seuil, à partir duquel un intérêt certain commence à se mettre en évidence sur le plan réponse mécanique. Les résistances résiduelles et leur palier de ductilité, ainsi que les approches énergétiques seront aussi abordées dans cette étude et on termine avec les variations dimensionnelles (retrait et perte de masse).
LE BETON AUTOPLACANT EN TANT QUE MATERIAU
Les bétons autoplacants sont utilisés, puisqu’ils sont mis en place sans vibration, pour leur aptitude à remplir les coffrages les plus densément armés sans intervention extérieure. Cette caractéristique est communément appelée « capacité de remplissage ». La capacité de remplissage dépend de deux facteurs : La déformabilité et la résistance à la ségrégation. OZAWA et al [1] ont montré l’existence d’une relation entre la capacité de remplissage et l’affaissement du béton. Pour de faibles valeurs de l’affaissement, l’écoulement aurait tendance à s’arrêter à cause d’une augmentation de la friction entre les particules du béton. Pour des valeurs d’affaissements plus élevées au contraire, les granulats peuvent se séparer plus facilement du mortier et l’écoulement peut être bloqué par la formation de ponts de granulats reposant sur les obstacles : c’est la ségrégation. Pour avoir une capacité de remplissage maximale, il faut donc avoir une déformabilité maximale et une ségrégation minimale.
Le même auteur [1] a montré que la déformabilité du béton était uniquement fonction de l’eau libre, eau non retenue, chimiquement ou physiquement, par les particules fines (ciments ou ajouts minéraux) ou le sable.
La résistance à la ségrégation dépend essentiellement de deux facteurs : la viscosité du mortier (ou de la pâte de ciment) et du volume des gros granulats [2]. En effet, Umehara et al [3] montrent qu’une diminution de la viscosité du béton s’accompagne d’une augmentation de la ségrégation. L’entraînement des granulats par le mortier est favorisé par les forces de viscosité, une augmentation de la viscosité minimise donc la ségrégation. Le volume des gros granulats ainsi que leur taille maximale jouent un rôle non négligeable dans la résistance à la ségrégation. En effet, les collisions et les frictions intergranulaires, qui sont à l’origine du blocage de l’écoulement autour des obstacles, augmentent avec le volume des gros granulats dans le béton [1].
La composition des bétons autoplaçants doit donc inclure des constituants supplémentaires et des dosages différents par rapport à ce qui est pratiqué pour les bétons vibrés pour présenter ces qualités de déformabilité et de résistance à la ségrégation. Nous abordons dans le paragraphe suivant la composition et la formulation de ces bétons.
Formulation et caractérisation
Contrairement au béton ordinaire, le béton autoplaçant présente une difficulté particulière pour sa formulation et sa caractérisation. En effet, il doit concilier deux propriétés, à priori contradictoires, à savoir la fluidité et l’absence de ségrégation et de ressuage. Il doit satisfaire à plusieurs tests pour pouvoir être qualifié d’autoplaçant.
Essais de caractérisation
Avant d’accepter une composition comme celle d’un BAP, il faut s’assurer que le béton résultant possède effectivement les qualités qu’on espère. Pour cela, il existe de nombreux essais permettant d’évaluer les différentes caractéristiques du béton à l’état frais.
Essai d’étalement :
Cet essai est dérivé de l’essai d’affaissement. Au lieu de mesurer l’affaissement, qui doit toujours être supérieur à 25 cm pour le béton autoplaçant, on mesure le diamètre moyen de la galette formé par le béton lors de l’étalement. Cet essai permet d’avoir une très bonne idée de la déformabilité du béton autoplaçant. On vise habituellement un étalement compris entre 600 et 700 mm pour un béton autoplaçant et ceci conformément aux recommandations de l’AFGC 2000 [4]. Il faut cependant noter que cet essai donne seulement une idée de la déformabilité du mélange et qu’il faut donc compléter par un essai mesurant la résistance à la ségrégation ou la capacité de remplissage.
Essai de la boite en L :
Cet essai permet de tester la mobilité du mélange frais en milieu confiné et de vérifier que la mise en place du béton ne sera pas contrariée par des phénomènes de blocage inacceptables. Le principe de l’essai est le suivant :
✦ La partie verticale de la boite est entièrement remplie de béton
✦ On laisse le béton reposer pendant une minute puis on lève la trappe et on laisse le béton s’écouler dans la partie horizontale de la boite à travers le ferraillage
✦ Quand le béton s’arrête de s’écouler, on mesure les hauteurs H1 et H2 On vise un rapport H2/H1 d’au moins 0,8 pour un béton autoplaçant selon les recommandations de l’AFGC 2000 [4].
Beaucoup d’autres essais similaires à celui de la boite en L sont utilisés, partout dans le monde pour caractériser l’aptitude au remplissage du béton tel que : l’essai de la boite, l’essai en U, l’essai de la capacité de remplissage etc. Ils relèvent du même principe.
Essai de stabilité au tamis :
Cet essai vise à qualifier les bétons autoplaçants vis-à-vis du risque de ségrégation. Ils complètent les essais permettant d’apprécier la mobilité, en milieu confiné (boite en L, en U, …) ou non (étalement), en caractérisant la stabilité. Cet essai consiste à déposer deux litres de béton sur un tamis ayant des mailles de 5 mm d’ouverture. Après cinq minutes, on pèse la quantité de mortier ayant traversé le tamis. Cette quantité par rapport à la quantité de mortier, initialement présente dans le contenant de 2 L, donne l’indice de ségrégation. On vise un indice de ségrégation d’au plus 30 % pour un béton autoplaçant d’après l’AFGC 2000 .
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
I-1 Le béton autoplaçant en tant que matériau
I-2 Formulation et caractéristion
I-2-1 Essais de caractérisation
a – Essai d’étalement
b – Essai de la boite en L
c – Essai de stabilité au tamis
I-2-2 Composition du béton autoplaçant
a- Les granulats
b- Les fines
c – Les superplastifiants
d- Les agents de viscosité
I-2-3 Méthodes de formulation
a – Méthode Japonaise
b – Méthode suédoise
c – Méthode Française
d – Autres méthodes
I-2-4 Exemples de formulation
I- 3 Comportement à l’état durci
I-3-1 Performances mécaniques du béton autoplaçant
I-3-2 Le Retrait
I-4 Exemples de réalisations
CHAPITRE II : SYNTHESE SUR LES BETONS AUTOPLACANTS FIBRES
II-1 Particularités
II-2 Conditions Optimales de Fonctionnement des Fibres
II-2-1 Mécanisme de fonctionnement du couple béton – fibre
II-2-2 Rôle des fibres dans le béton
II-3 Propriétés et comportement du béton fibré dans les structures
II-3-1 Propriétés mécaniques
II -3-1-1 Sollicitation de compression
II -3-1-2 Comportement en traction
II -3-1-3 Comportement en flexion
II -3-1-4 Sollicitations de cisaillement
II-3-1-5 Comportement cyclique et dynamique
II- 3-2 Comportement différé : fluage et retrait
II- 3-3 Influence des fibres sur l’ouvrabilité
II-3-4 Influence de la teneur en fibres sur la composition de bétons autoplaçants
II-4 Intérêt des bétons autoplaçants fibrés durcis
II-5 Rhéologie des bétons autoplaçants à l’état frais
CHAPITRE III : OPTIMISATION DES COMPOSITIONS
III-1 Procédure et Stratégie Expérimentale
III-1-1 Formuler un béton
III-1-2 Pratique actuelle de la formulation des bétons autoplaçants
a – Méthode basée sur l’optimisation du squelette granulaire
b- Méthode basée sur un plan d’expérience
III-1-3 Les matériaux utilisés
a – Les Granulats
b- Les Addition minérale
c- Les Ciments
d- Les Adjuvants
III-1-4 Les fibres
III-2 Présentation de la démarche de formulation
III-2-1 Cahier de charges
III-2-1-1 Essais de caractérisation à l’état frais
a- Essai d’étalement au cône d’Abrams (Slump Flow) : milieu non confiné
b- Essai de la boite en L (L-BOX)
c- Essai d’étalement modifié (J-Ring)
III-3 Principales étapes d’optimisation des bétons autoplaçants à fibrage mixte
III-4 Compositions optimisées
III-5 Fabrications des bétons- Séquence de malaxage- Conservation des éprouvettes
CHAPITRE IV : COMPORTEMENT MECANIQUE DES BETONS AUTOPLACANTS ET BETONS AUTOPLACANTS FIBRE
IV-1 Dispositifs expérimentaux
IV-2 Comportement en Compression Simple
IV-2-1 Introduction
IV-2-2 Résistance et Module d’élasticité en Compression
IV-2-2-1 Dispositif expérimental et spécimens étudiés
IV-2-2-2 Résultats et discussions
a- Bétons autoplaçants avec fibres métalliques
b- Bétons autoplaçants avec fibres synthétiques
IV-3 Comportement en traction simple
IV-3-1 Introduction
IV-4 Comportement en flexion
IV-4-1 Introduction
IV-4-2 Essais de flexion 03 points
IV-4-2-1 Dispositif expérimental
IV-4-2-2 Mesure des paramètres à la rupture
IV-5 Expression des résultats
IV-5-1 Equivalence entre cmod et flèche
IV-5-2 Limite de proportionnalité
IV-5-3 Résistance résiduelle à la traction par flexion
IV-5-4 Résultats et discussions
IV-5-4-1 Résultats pour les bétons autoplaçants mono fibré
IV-5-4-1-1 Bétons autoplaçants avec fibres métalliques
a- Courbes « Force-CMOD »
b- Observation de la fissuration
IV-5-4-1-2 Bétons autoplaçants avec fibres synthétiques
a- Courbes « Force-CMOD »
b- Observation de la fissuration
IV-5-4-2 Bétons autoplaçants à fibrage hybride (mixte)
IV-5-4-2-1 Différents facteurs intervenants dans le comportement mécanique des bétons autoplaçants fibrés
IV-5-4-2-1-1 Influence du pourcentage des fibres, effets de groupe positif et négatif, seuils d’efficacité et de saturation, et domaine d’efficacité
IV-5-4-2-1-2 Influence du pourcentage de fibres sur la résistance des bétons autoplaçants à fibrage mixte
IV-5-4-2-1-3 Relation entre type, dimensions et caractéristiques mécaniques d’une fibre, et compacité de la matrice
IV-5-4-2-2 Résultats et discussions
IV-5-4-2-2-1 Courbes « Effort-Cmod »
a- Différents dosages en fibres métalliques avec 4,5 Kg/m3
b- Différents dosages en fibres métalliques avec 9 Kg/m3
IV-6 Contraintes résiduelles
IV-7 Approche énergétique
IV-7-1 Cas des bétons autoplaçants avec fibres métalliques
IV-7-2 Cas des bétons autoplaçants avec fibres synthétiques
IV-7-3 Cas des bétons autoplaçants avec fibrage mixte
a- Dosage en fibres métalliques variable et synthétique constant et égal à 4,5 Kg/m3
b- Dosage en fibres métalliques variables et synthétique constant et égal à 9 kg/m3
IV-7-4 Récapitulatif
CONCLUSION GENERALE
