Rhéologie et formulation des bétons nouveaux

Mohend Chaouche

Enjeux sociétaux Cette équipe s’intéresse à la formulation et la caractérisation de matériaux à base cimentaire innovants (dits bétons verts), incluant en particulier les bétons auto-plaçants (BAP) et/ou hautes performances (BHP).

Les BAP ont la particularité de pouvoir être mis en place sans vibration d’où une diminution significative des nuisances sonores liées à la présence de chantiers dans les agglomérations. L’objectif de nos activités de recherche sur les BAP est la mise au point de formulations plus intéressantes d’un point vue économique afin d’aboutir à une généralisation de l’utilisation de ce type de bétons.

Les BHP ont des performances (mécaniques, durabilité, etc. ) nettement améliorés par rapport aux bétons classiques ce qui permet de construire des ouvrages avec beaucoup moins de matériau (donc moins de transport et de production de ciment). Par ailleurs ces matériaux sont formulés en utilisant largement des sous-produits industriels (fumée de silice, laitiers de hauts fourneaux, cendres volantes, etc. ), et souvent en substitution de ciment. Enfin, l’utilisation des polymères dits superplastifiants entraîne une diminution significative de la quantité d’eau nécessaire pour formuler des BHP ou des BAP. Nous travaillons également sur d’autres types de matériaux cimentaires tels que les mortiers spéciaux. Les propriétés recherchées pour ces matériaux sont toutes plus ou moins liées aux problèmes environnementaux : grande isolation thermique, régulation thermique, sans poussière, auto- nettoyants/dépolluant (par décomposition du CO2), etc.

Objectifs scientif iques Notre objectif est de développer des approches plus scientifiques pour la formulation et la caractérisation des matériaux du génie civil. En effet, Actuellement ce type de matériaux sont formulés de manière très empirique. Cela est du notamment à leur grande complexité. Avec le développement récent des matériaux innovants dans le domaine, il existe une demande industrielle forte pour des démarches scientifiques afin d’optimiser leurs formulations. Les matériaux cimentaires innovants sont constitués de plusieurs phases aussi bien organiques que minérales à différentes échelles. Nous adoptons ainsi des méthodes de formulation inspirées de la physico-chimie des colloïdes et des polymères ainsi que de la physique des matériaux granulaires.

Pour décrire le comportement de ces matériaux (notamment rhéologique) nous développons des modèles multiphasiques originaux ainsi que des techniques expérimentales où des mesures mécaniques sont couplées avec des analyses physiques.

Thématiques scientif iques et résultats Bétons auto-plaçants ■ M. Chaouche, PH Phan, R. Bouras Les bétons auto-placants (BAP) sont caractérisés par leur fluidité élevée de sorte qu'ils puissent se mettre en œuvre sans vibration, remplir facilement des petits

interstices de coffrages et être pompés sur de longues distances. En revanche, la pâte de ciment correspondante doit être assez visqueuse pour éviter la ségrégation gravitaire des granulats. Puisque ces deux types de propriétés exigées sont apparemment contradictoires, la formulation d’un BAP s’avère en fait critique et difficile à contrôler. Le comportement rhéologique en relation avec la formulation constitue ainsi un aspect clef pour les BAP. Cette étude est effectuée dans le cadre du Réseau Génie Civil et Urbain (RGCU) et financée par le ministère de l’équipement. Ce projet National (‘Bétons Fluides’) a permis de mettre en collaboration plusieurs universités ou Ecoles (ENS Cachan, INSA-Lyon, Ecole Centrale de Nantes, Université Paris 7, Université Marne-la-Vallée) ainsi qu’une Start-up (OSER) chargée de valoriser industriellement les résultats issus de ce projet.

Deux thèses ont été effectuées sur le sur le sujet : T H Phan (ENS Cachan, soutenue en 2007) et R. Bouras (Université de Tizi-Ouzou, Algérie, soutenance prévue fin 2008). L’objectif de ce travail était d’étudier expérimentalement et par modélisation le comportement rhéologique des pâtes BAP en relation avec leur formulation en tenant compte des éventuelles hétérogénéités induites par les écoulements. Nous nous sommes en particulier intéressés aux hétérogénéités induites lors de la compression d’une pâte BAP à vitesse contrôlée. Nous avons montré que lorsque la vitesse de compression est suffisamment faible, on obtient un assèchement de la pâte à cause de la filtration de la phase fluide (solution de polymère) à travers le milieu poreux formé par la phase granulaire (ciments+fines). Pour des vitesses de compression intermédiaires la pâte s’écoule en restant homogène. Pour des vitesses suffisamment élevées, on obtient de nouveau un assèchement de la pâte (Figure 1).

Nous avons interprété physiquement ces différents comportements en comparant le temps caractéristique de l’écoulement de la pâte (déterminée par sa rhéologie et la vitesse de compression) au temps caractéristique de filtration de la phase fluide (déterminé par la rhéologie de celui-ci et la perméabilité du réseau granulaire). Nous montrons ainsi que pour modéliser l’écoulement d’un tel milieu il faut tenir compte au minimum de son aspect diphasique où l’on considère en même temps

que l’écoulement de la pâte la filtration du fluide à travers le réseau granulaire.

D’un point de vue expérimental, nous considérons l’influence de chacun des constituants de la pâte (agent viscosant, superplastifiant, fines, etc. ) sur aussi bien le comportement rhéologique que sur la résistance par rapport à la ségrégation (gravitaire ou induite par les écoulements). Ce travail a abouti au développement d’un modèle multiphasique originale permettant de simuler l’écoulement des BAP en tenant compte de la séparation de phases (Figure 2).

Figure 1 : Observations expérimentales de l’apparition des hétérogénéités lors la compression d’un échantillon cylindrique de béton auto-plaçant. Uniquement ¼ de l’échantillon est représenté. (1) Formulation pour laquelle le matériau reste homogène ; (2) Mauvaise formulation pour laquelle on a séparation de phases. Figure 2 : Modélisation multiphasique de l’écoulement d’un béton auto-plaçant entre deux disques (même configuration que dans la Figure 1, mais vue de profil). On est dans la situation d’une mauvaise formulation sujette à des séparations de phases. Bétons f ibrés ■ M. Chaouche, N. Ouari Notre démarche s’inspire des nombreuses études que nous avons effectuées au Laboratoire sur les problèmes de mise en

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œuvre des polymères thermoplastiques composites pour développer une modélisation de l’injectabilité des bétons fibrés. A priori il ne devrait pas exister une différence fondamentale d’un point de vue rhéologique entre les bétons fibrés et les polymères composites fibres-courtes. Dans les deux cas le matériau peut être considéré comme une suspension de fibres dans une phase fluide. Toutefois, il faudrait vérifier si l’aspect discontinu (granulats) de la phase fluide dans le cas des bétons fibrés peut avoir des conséquences sur le comportement rhéologique du composite. Par ailleurs, le comportement rhéologique des deux phases fluides correspondantes n’est pas exactement le même. Il faudrait considérer ainsi l’influence du comportement rhéologique spécifique de la matrice. Dans le cas d’un thermoplastique, la matrice est visco-élastique et rhéo-fluidifiante, alors que dans le cas d’un béton la phase fluide (béton sans fibre) est visco-plastique, rhéo-fluidifiante à faibles vitesses de sollicitation et rhéo-épaississante aux fortes vitesses.

Cette étude fait l’objet de la thèse de Nadia Ouari effectuée dans le cadre d’une collaboration entre le LMT-Cachan Cachan et l’Université de Béjaia (Algérie).

Une première étude en collaboration avec un industriel (GTM) a donné les résultats illustrés sur la Figure 3.

Bétons auto-plaçants hautes performances ■ M. Chaouche, M. Moranville, A. Kaci, J. Zreiki, J. Yammine Les bétons hautes performances (BHP) sont caractérisés pas des propriétés mécaniques et de durabilité uniques, liées entre autre à leur formulation avec une faible teneur en eau. Pour compenser cette faible teneur en eau et faciliter la mise en œuvre du matériau à l’état frais, on a souvent recours à des adjuvants super fluidifiants. Cependant, vu sa très faible teneur en eau, les BHP à l’état frais reste très visqueux comparés aux BAP. Malheureusement ces derniers sont caractérisés par d’assez mauvaises propriétés mécaniques à l’état durci. L’objectif de notre étude était de concilier les propriétés des BHP à l’état durci avec les propriétés rhéologiques des BAP à l’état frais ; c'est-à-dire arriver à des formulations de BHP-BAP. Ce travail a fait l’objet d’une thèse (J. Yammine) financée par la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) dans le cadre d’une bourse CIFRE. Lors de cette thèse nous sommes partis de quelques formulations types de BHP dont on a étudiées les propriétés à l’état frais, en particulier la résistance par rapport à la ségrégation gravitaire (sédimentation, tassement, etc. ), les propriétés rhéologiques et les hétérogénéités qui peuvent être induites par les écoulements (blocage, filtration, floculation induite, etc. ) dans différents types de géométrie. Les propriétés mécaniques du béton durci on été également considérées en relation avec son histoire rhéologique telle que décrite précédemment. Nous avons montré alors qu’il était possible de formuler un BHP avec des propriétés auto-plaçantes en combinant une optimisation de la distribution granulaire et l’utilisation d’adjuvants spécifiques.

Figure 3 : Modélisation de l’orientation des fibres lors de l’injection d’un béton fibré dans une coque pour le renforcement de poteaux.

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Publications majeures J. COLLOMB, F. CHAARI, M. CHAOUCHE, “Squeeze flow of concentrated suspensions of spheres in Newtonian and shear-thinning fluids”. Journal of Rheology 48 (2) (2004), 405-411. T. H. PHAN, M. CHAOUCHE, “Rheological behaviour of a self-compacting concrete paste under squeeze flow conditions”. Applied Rheology, 15(5), 336-343 (2005). T. H. PHAN, M. CHAOUCHE, M. MORANVILLE, Influence of organic admixtures on the rheological behaviour of cement pastes. Cement and Concrete Research, 36 (10), 1807-1813, (2006). Y. JOUMANA, M. CHAOUCHE, M. GUERINET, M. MORANVILLE, N. ROUSSEL, From ordinary rheology concrete to self-compacting concrete: a transition between frictional and hydrodynamic interactions. Cement and Concrete Research 38(7), 890-896 (2008) R. BOURAS, M. CHAOUCHE, A. KACI, Influence of Viscosity-Modifying Admixtures on the Thixotropic Behaviour of Cement Pastes. Applied Rheology 18 (4), 45604 (2008)