Soutenance mémoire
ETAT DE L’ART SUR LE MATERIAU BETON
MODELISATION DES BETONS ORDINAIRES PAR DES PLANS D’EXPERIENCES
Le béton est un mélange de plusieurs composants très différents dont les uns sont actifs et les autres inertes [Georges Dreux, Jean Festa, 1998].Ce matériau présente des caractéristiques qui sont fonction de celles de ces composants. Le béton ordinaire est un terme générique qui désigne un matériau de construction composite constitué d‟un mélange de granulats (sable, gravillons) agglomérés par un liant. Le liant peut être «hydraulique», car il fait prise par hydratation, il est appelé ciment, on obtient dans ce cas un béton de ciment, ou béton tout court. Le liant peut être aussi un hydrocarboné appelé aussi bitume, ce qui conduit à la fabrication du béton bitumineux. Le béton classique est constitué d’éléments de granulométrie différente. Le spectre granulométrique se poursuit également avec la poudre de ciment et parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fine comme la fumée de silice. La continuité du spectre granulométrique peut être étendue vers les faibles granulométries de manière à améliorer la compacité, donc les performances mécaniques du béton [Béton – Définition, 2008]. L’eau joue un double rôle : hydratation de la poudre de ciment et amélioration de l‟ouvrabilité. En l’absence d’adjuvant de type super plastifiant, la quantité d’eau est déterminée par les conditions de mise en oeuvre. Un béton contient donc une part importante d’eau libre, ce qui tend à favoriser une forte porosité et donc une faible résistance du béton durci. En ajoutant un super plastifiant, appelé aussi haut réducteur d’eau, la quantité d’eau utilisée décroît et les performances mécaniques du matériau sont améliorées, c‟est le cas des bétons à hautes performances (BHP).
Historicité du béton
L‟histoire du béton montre que sa technique, bien fixée empiriquement par les Romains, avec la chaux grasse et la pouzzolane, a évolué seulement au 19éme siècle, après l‟apparition des chaux hydrauliques et des ciments. L‟invention de la chaux hydraulique par Louis Vicat en 1817, celle du ciment portland par Aspdin en Ecosse en1824 et l‟installation des premiers fours par Pavin de Lafarge au Teil en France en 1830 préparent l‟avènement du béton [Cimbéton, 2006]. A l‟origine, le béton était constitué d‟un mélange de trois matériaux : le ciment, les granulats et l‟eau. Dans la plupart des cas, le ciment était du ciment Portland obtenu par mélange homogène d‟argile et de calcaire, ou d‟autres matériaux contenant de la chaux, de la silice, de l‟alumine et de l‟oxyde de fer, cuit à la température de clinkérisation puis broyé. Par la suite, de petites quantités d‟adjuvants chimiques ont été ajoutées au mélange afin d‟améliorer certaines des propriétés du béton à l‟état frais ou durci.
Au 20éme siècle, le béton se développa considérablement avec l‟évolution de ses techniques : usage croissant des adjuvants, béton prêt à l‟emploi, matériel de mise en oeuvre. Dans les années quatre -vingt et quatre-vingt-dix du siècle dernier, les études relatives aux bétons à hautes performances ont montré le rôle de l‟excès d‟eau dans les bétons. La réduction de cette quantité d‟eau par l‟emploi de défloculants, a conduit aux gains de résistance allant jusqu’à 200 MPa et à une excellente durabilité. De nos jours, l‟étendue des exigences possibles a augmenté de façon spectaculaire. Par exemple l‟affaissement au cône d‟Abrams varie de 0pour les bétons fermes à plus pour les bétons autoplacants, qui sont caractérisés d‟ailleurs par des étalements. De même, les résistances en compression à 28 jours peuvent variées de l‟ordre de 10 MPa pour certains bétons de masse, à des valeurs très élevées, supérieures a 200 MPa.
Malaxage des constituants
Les divers constituants d‟un béton sont malaxés de façon à avoir un matériau de composition homogène, ayant par la suite des propriétés uniformes. Ceci se fait soit avec un malaxeur à béton à train valseur qui consiste en un brassage forcé des divers constituants du béton, soit avec une bétonnière qui homogénéise le mélange par gravité en soulevant un volume de matériau et en le laissant par la suite tomber dans la masse. Lors d‟un essai en laboratoire, il est nécessaire d‟adopter rigoureusement une même procédure de malaxage des mélanges afin d‟avoir des matériaux ayant des propriétés quasiconstantes pour chaque gâchée. Cela concerne à la fois le temps de malaxage, la vitesse de malaxage et la séquence d‟introduction des constituants dans le malaxeur. Selon Neville [Nguyen, 2007], ces paramètres influent de manière significative sur la teneur en air du mélange. Suivant la norme NF P 18-305, un temps de malaxage minimal de 35 et 55 secondes est respectivement exigé pour les bétons ne comportant pas d‟adjuvant ou d‟additions. La durée totale du cycle de malaxage (figure I.4) couvre l‟ensemble des opérations s‟écoulant entre le début du remplissage de la cuve et la fin de vidange.
Le malaxage à sec, le malaxage humide et notamment le temps de malaxage sont des paramètres qui contrôlent l‟évolution de l‟homogénéité du mélange, quel que soit le type de malaxeur. Le temps est un paramètre très important pour l‟homogénéisation du béton lors de son malaxage. En fonction du temps, l‟homogénéisation macroscopique est rapidement obtenue, puis l‟homogénéisation microscopique est atteinte au fur et à mesure. Cette dernière consiste à défloculer les agglomérations des particules fines emprisonnant une certaine quantité d‟eau et d‟air. Un taux de cisaillement important exercé par les pales du malaxeur et les mouvements relatifs de gros constituants au cours de malaxage peuvent fragmenter ces agglomérats et libérer de l‟eau et de l‟air [Cazacliu et col, 2006].Ceci augmente donc la masse volumique « densité» et la compacité du béton (figure I.5).
Propriétés essentielles d’un béton
Les propriétés essentielles pour le béton sont définies comme étant la qualité qui permet de garantir la facilité de sa mise en oeuvre; qualité sur laquelle repose différents aspects du béton une fois durci (résistance, enrobage des armatures,…). Sachant que la tendance actuelle est tournée vers une multitude de techniques de bétonnage et de serrage (béton pompé, béton projeté, béton autocompactant, autonivelant,….), il est donc nécessaire de prendre en considération ce paramètre dans les études de formulation du béton. Pour répondre aux conditions des cahiers de charge des ouvrages, il est nécessaire de bien caractériser les propriétés des bétons à l‟état frais et à l‟état durci.
Le béton à l‟état frais est caractérisé par son ouvrabilité qui est regie par les paramètres rhéologiques qui sont le seuil de cisaillement et la viscosité. L‟ouvrabilité est également désignée sous les termes de maniabilité ou consistance du mélange. [Dreux, Festa (1998) ] ont défini l‟ouvrabilité du béton comme la facilité offerte à la mise en oeuvre du béton pour le remplissage parfait du coffrage du ferraillage. Faury (1958) souligne que l‟ouvrabilité est un ensemble de qualités pratiques que doit posséder le béton frais pour être transporté aisément et sans risque de malfaçons. Une bonne ouvrabilité est un gage de sécurité pour la structure en construction. [De Larrard, Sitzkar, Hu (1993)] ont développé un rhéomètre à béton, pour l‟analyse des paramètres rhéologiques. Il s‟agit d‟étudier la relation entre la contrainte de cisaillement et la déformation dans un milieu homogène et continu. Selon De Larrard, le béton frais est un matériau intermédiaire entre un fluide et un empilement humide de particules. [Hu, 1995] a montré que pour les bétons dont l‟affaissement est inférieur à 10 cm, la caractérisation rhéologique n‟a pas de sens. Le béton à l‟état frais et considéré comme un fluide Binghamien qui a pour équation..
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ETAT DE L’ART SUR LE MATERIAU BETON
I.1 Introduction
I.2 Historicité du béton
I.3 Les composants d’un béton
I.3.1 Pâte de ciment
I.3.2 Granulats
I.4 Malaxage des constituants
I.5 Propriétés essentielles d’un béton
I.5.1 A l‟état frais
I.5.2 A l‟état durci
I.6 Essais réalisés sur les bétons
I.6.1 A l‟état frais
I.6.2 A l‟état durci
I.7 Paramètres qui influent sur les caractéristiques du béton
I.7.1 Influence du rapport eau/ciment (E/C)
I.7.2 Influence du dosage en ciment
I.7.3 Influence du type de ciment
I.7.4 Influence du squelette granulaire
I.7.5 Influence du rapport granulat /ciment (G/C)
I.7.6 Dimension maximale des granulats Dmax
I.7.7 Influence du squelette granulaire sur l‟affaissement
I.7.8 Influence de l‟air occlus sur l‟affaissement et la résistance
I.8 METHODES DE FORMULATION DES BETONS
I.8.1 Introduction
I.8.2 Méthodes de formulation
I.9 Conclusion
LES PLANS D’EXPERIENCES
II.1 Principe
II.2 Démarche méthodologique
II.2.1 Choix de la méthode d‟expérimentation
II.2.2 Analyse des résultats
II.3 Conditions d’application des plans d’expériences
II.4 Vocabulaire de base des plans d’expériences
II.5 Les types de plans d’expériences
II.5.1 Plans factoriels complets
II.5.2 Plans fractionnaires
II.5.3 Plans de mélange
II.5.4 Les plans hybrides
II.6 Modélisation par la méthode des plans d’expériences
II.6.1 Principes généraux
II.6.2 Signification des effets de facteurs :
II.6.3 Notions de statistique appliquées aux plans d‟expériences
II.6.4 Validation du modèle :
II.7 Application des plans d’expériences sur le matériau béton
II.7.1 sur les bétons ordinaires : (Kaoua, 2008)
II.7.2 Sur les bétons autoplaçants :(Taleb et col, 2012)
II.7.3 Sur l‟optimisation des procédures de bétonnage par temps chaud : (Bella et Col., 2011)
III.1 Introduction
III.2 Caractéristiques physico-chimiques du ciment
III.2.1 Composition chimique et minéralogique
III.2.1 Caractéristiques Physico mécaniques :
III.2.2 Interprétation des résultats
III.2.3 Agrégats (sable et graviers)
III.2.4 Masses volumiques apparentes et absolues
III.2.5 Foisonnement du sable
III.3 Caractérisation des bétons étudiés
III.3.1 caractérisation du béton à l‟état frais
III.3.2 Confection des éprouvettes
III.3.3 Caractérisation du béton à l‟état durci
III.4 Conclusion
IV.1 Mise en application des plans d’expériences :
IV.2.1 Facteurs :
IV.2.2 Niveaux des facteurs :
IV.2.3 Choix du plan d‟expérience pour notre étude :
IV.2.4 Interactions
IV.1 Formulations des bétons étudiés
IV.3 L’air occlus
IV.3.1 Introduction
IV.3.2 Résultats des essais: (Volume de l‟air occlus)
IV.3.3 Analyse des résultats
IV.4 Affaissement
IV.4.1 Introduction
IV.4.2 Résultats des essais: (Affaissement)
IV.4.3 Analyse des résultats
IV.5 Résistance mécanique en compression
IV.5.1 Introduction
IV.5.2 Résultats des essais: (Résistance)
IV.5.3 Analyse des résultats
IV.5 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
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