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ETAT DE L’ART SUR LE MATERIAU BETON DALI YOUCEF SOUHILA
Le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde. Déjà à l’époque Romaine, il y a presque 2000 ans, il fut utilisé dans la construction du dôme du Panthéon. Des siècles plus tard, le béton s’est modernisé grâce à une recherche active donnant jours à des matériaux durables, économiques, beaux et respectueux à l’environnement. A nos jours, ce matériau continue à séduire et à réussir sans cesse à relever les défis de la construction. La qualité et le potentiel du matériau béton dans la structure dépend des matériaux de base qui entrent dans sa formulation mais également des opérations de malaxage, mise en oeuvre, vibration et cure. Le béton ordinaire est un terme générique qui désigne un matériau de construction composite constitué d’un mélange de granulats (sable, gravillons) agglomères 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 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 rhéologique ou mécaniques du matériau sont améliorées comme c’est le cas des bétons autoplaçants ou les bétons de hautes performances (BHP). Et pour cela nous allons parler dans ce chapitre sur les composants d’un béton ainsi que les paramètres qui influencent sur ce 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 en 1824 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 le broyé. Par la suite, des petites quantités d’adjuvants chimiques ont été ajoutées au mélange afin d’améliorer certaines des propriétés du béton a l’état frais ou durci. Au 𝟐𝟎é𝐦𝐞 siècle, le béton se développa considérablement avec l’apparition de nouveau matériaux tels que les adjuvants, ou par l’innovation du matériel de mise en oeuvre, donnant naissance à de nouvelle famille des bétons tels que les bétons de haute performance qui sont caractérisés par des résistances allant jusqu’à 200 MPa et à une excellente durabilité ou encore les bétons autoplaçants qui se mettent en place sans moyens de vibration.
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 qui consiste en un brassage forcé des divers constituants du béton, soit avec une bétonnière qui homogénéise le mélange par effet de gravité en soulevant un volume de matériau et en le laissant par la suite tomber dans la masse. Dans ce dernier cas, la teneur en air dans le béton sera plus élevée. Lors d’un essai au laboratoire, il est nécessaire d’adopter rigoureusement une même procédure de malaxage des mélanges afin d’avoir des matériaux ayant des propriétés quasi constantes 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.
Par contre, l’utilisation des adjuvants nécessite un temps plus important de malaxage pour assurer une meilleure défloculation des éléments fins et donc une meilleure dispersion. La durée totale du cycle de malaxage (figure 1.3) 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 du 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 1.4).
Méthode de Baron Lesage :
Cette méthode n’est pas en soi une méthode de formulation, mais plus une technique pour optimiser le squelette granulaire d’un béton [Baron et Lesage, 1976]. L’essai utilisé pour caractériser la maniabilité est le maniabilimètre LCL (ou essai d’écoulement) [Baron et Lesage, 1969]. Le principe est de mesurer le temps mis par un échantillon de béton pour s’écouler sous vibration jusqu’à un certain repère. Les proportions optimales des granulats sont supposées donner le temps d’écoulement minimum, pour une quantité donnée de ciment et d’eau. Une fois les proportions granulaires repérées, les dosages en eau et ciment sont ajustés expérimentalement, de sorte que le mélange présente la maniabilité et la résistance souhaitées. On suppose, dans cette méthode, que les proportions optimales de granulats ne dépendent pas de la quantité de ciment. La méthode baron Lesage a l’avantage de ne dépendre d’aucune formule ou table qui pourrait être suspectée de ne s’appliquer qu’à certains types de matériaux. De ce point de vue, elle peut être qualifiée de fondamentale et de scientifique. Par contre, la nécessité de réaliser un certain nombre de gâchées expérimentales, pour trouver les proportions optimales de granulat, est assez contraignante. La méthode devient surtout lourde quand plus de deux granulats doivent être proportionnés [de Larrard, 2000].
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Table des matières
Résumé
Abstract
Remerciements
Liste des figures
Liste des tableaux
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LE MATERIAU BETON
1.1 Introduction
1.2 Historicité
1.3 Les composants d’un béton
1.3.1 Pâte de ciment
1.3.1.1 Ciment
1.3.1.2 L’eau de gâchage
1.3.1.3 Les additions minérales
1.3.1.4 Les adjuvants
1.3.2 Les granulats
1.4 Malaxage des constituants
1.5 Propriétés essentielles d’un béton
1.5.1 A l’état frais
1.5.2 A l’état durci
1.6 Essais de caractérisation des bétons
1.6.1 A l’état frais
1.6.1.1 Essai d’affaissement au cône d’Abrams [NF P 18-451]
1.6.2 A l’état durci
1.6.2.1 Essai de résistance à la compression
1.6.2.2 Essai de résistance en ultrason
1.7 Paramètres qui influent sur les caractéristiques du béton
1.7.1 Influence du rapport eau/ciment (E/C
1.7.2 Influence du dosage en ciment
1.7.3 Influence du type de ciment
1.7.4 Influence du rapport granulat/ciment (G/C)
1.7.5 Influence du squelette granulaire
1.7.6 Influence de la taille maximale des granulats (𝐷𝑚𝑎𝑥 )
1.7.7 Influence du squelette granulaire sur l’affaissement
1.7.8 Influence des adjuvants
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 : METHODES DE FORMULATION DES BETONS
2.1 Méthodes de formulation des bétons
2.1.1 Introduction
2.1.2 Méthodes de formulations
2.1.2.1 Méthode de Bolomey
2.1.2.2 Méthode de Caquot
2.1.2.3 Méthode de Valette
2.1.2.4 Méthode de Faury
2.1.2.5 Méthode de Joisel
2.1.2.6 Méthode de Dreux Gorisse
2.1.2.7 Méthode de Baron Lesage
2.1.2.8 Méthode des volumes absolus
2.1.2.9 Méthode Britannique
2.1.2.10Méthode Américaine ACI 211
2.1.2.11Méthode des plans d’expériences
2.1.2.12Méthode de Taguchi
2.2 Conclusion
CHAPITRE 3 : CARACTERISATION DES MATERIAUX
3.1 Introduction
3.2 Caractéristiques physico-chimiques du ciment
3.2.1 Composition chimique et minéralogique
3.2.2 Caractéristiques physico- mécaniques
3.2.2.1 Masses volumiques (apparente et absolue)
3.2.2.2 Essai de consistance
3.2.2.3 Essai de prise
3.2.3 Interprétation des résultats
3.2.4 Agrégats (sable et graviers)
3.2.4.1 Analyse granulométrique
3.2.4.2 Propreté des granulats
3.2.5 Masses volumiques apparentes et absolues
3.2.6 Foisonnement du sable
3.3 Caractérisation des bétons étudiés
3.3.1 Caractérisation du béton à l’état frais
3.3.1.1 l’affaissement
3.3.2 Confection des éprouvettes
3.3.2.1 Remplissage des moules
3.3.2.2 Mise en place du béton
3.3.2.3 Conservation des éprouvettes
3.3.3 Caractérisation du béton à l’état durci
3.3.3.1 Essai de résistance à la compression
3.3.3.2 Essai de résistance en ultrason
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4: APPROCHE PROCESSUS APPLIQUE A LA METHODE TAGUCHI
4.1 Introduction
4.2 Définition d’un processus
4.3 Construction des processus de formulation du béton à l’état frais
4.4 Processus d’application des essais de compression sur le béton à l’état durci à 14 jours
4.5 Processus d’application des essais d’ultrason sur le béton à l’état durci à 14 jours
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 : RESULTATS ET DISCUSSIONS
5.1 Mise en application de la méthode Taguchi
5.1.1 Facteurs
5.1.2 Niveaux des facteurs
5.1.3 Choix de la matrice de Taguchi pour notre étude
5.2 Formulation des bétons étudiés
5.3 Affaissement
5.3.1 Détermination des coefficients du modèle
5.3.2 Interprétation
5.4 Résistance mécanique en compression
5.4.1 Détermination des coefficients du modèle
5.4.2 Interprétation
5.5 Ultrason
5.5.1 Détermination des coefficients du modèle
5.5.2 Interprétation
5.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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