Soutenance mémoire
De la fabrication industrielle des blocs aux matériaux granulaires
Présentation du produit : le bloc
Le support de cette étude est le bloc, communément appelé “parpaing” ou “aggloméré”. Cette section est une brève présentation du produit. Les blocs en béton représentent la part la plus importante de l’industrie du béton, soit environ 24 % de la production de produits en béton pour la construction (source UNICEM 2001).
Les caractéristiques du bloc sont issues d’un compromis entre les exigences fonctionnelles (légèreté, aspect, capacité à être enduit, tenue mécanique, etc.) et économiques (un bloc coûte environ 1 euro dans le commerce). D’un point de vue de la résistance mécanique, les blocs creux doivent présenter une résistance à la compression entre 4 et 8 MPA selon le type. Le cycle de vie d’un produit bloc en béton est le suivant :
Production des matières premières : constitution à partir de 87 % de granulats (gravillons et sables naturels), de 7 % de ciment (mélange de calcaire et d’argile cuit et broyé), et de 6 % d’eau. La qualité du produit dépend donc directement de la qualité des matières premières, et donc généralement de la situation géographique de l’usine de production.
Fabrication du produit : compactage du bloc et durcissement naturel en étuve.
Mise en œuvre : transport et intégration du bloc à l’ouvrage.
Vie en œuvre : fonctionnalité et durabilité.
Recyclage : déchet inerte pouvant être recyclé.
Notre étude se situe au niveau de la fabrication du produit. Cependant, le centre d’intérêt étant le matériau, l’étape de production des matières premières conditionne les paramètres de l’étude.
Le procédé de mise en forme sur presse vibrante
Les parpaings sont mis en forme sur presses vibrantes par compactage sous chocs. Cette section présente la technologie actuelle des presses vibrantes.
Installation classique pour la production de blocs
Les granulats sont amenés par camion et stockés en extérieur. Un malaxeur effectue le mélange des matières premières de façon automatique selon la formulation programmée, adaptée au type de produit. Le mélange est ensuite convoyé jusqu’à la presse par un transporteur à bandes. Toute la phase de mise en forme est réalisée par la presse vibrante. Les produits démoulés sont alors immédiatement stockés en étuve pour séchage pendant environ 36 heures. Le produit peut être transporté vers son lieu de stockage ou d’utilisation. Notons que toute l’installation est automatique et que deux personnes seulement sont nécessaires à son fonctionnement (une personne pour l’approvisionnement et une personne pour le pilotage général).
Technologie d’une presse
L’opération complexe de mise en forme des blocs est réalisée automatiquement sur une seule machine : la presse vibrante. C’est une machine fixe à démoulage immédiat. Les produits sont donc mis en forme et immédiatement convoyés hors de la presse pour le séchage. Leur tenue mécanique est due uniquement aux forces intergranulaires de cohésion induites par le compactage. On distingue deux types de machines utilisées pour la production de blocs, basées sur le principe de l’action combinée d’une vibration et d’un effort de pressage.
Les machines fixes américaines. La vibration est produite directement sur le moule. Le démoulage est réalisé par poussée des produits sous le moule. Les produits sont très homogènes et donc adaptés pour une utilisation comme blocs apparents. Cependant les moules doivent être très robustes, limitant ainsi le nombre de produits moulés. Ces machines ne représentent qu’une faible partie du parc français.
Les machines fixes européennes. La vibration est produite par une table vibrante et transmise au moule par une planche (comme indiqué sur la figure 1.6). Ces machines permettent l’utilisation de moules de grandes dimensions et de formes complexes. C’est ce type de machines qui est l’objet de cette étude.
L’architecture générale d’une presse vibrante est schématisée sur la figure 1.8. Le béton est mis en forme par moulage, sous un effort de compactage exercé par le pilon. Cette opération est assistée par une succession de chocs périodiques, souvent assimilée à une vibration. Le principe de transmission de cette énergie de vibration au béton est le suivant : durant son mouvement de vibration, la table vient heurter la planche et poursuit son mouvement quasi-sinusoïdal. La planche décolle et retombe sur les pontées. La presse vibrante est donc bien, du point de vue de la sollicitation, une machine à chocs. La “vibration” est donc un abus de langage, en référence au pilotage de la machine puisque la table vibrante est animée d’un mouvement sinusoïdal (quasi- en raison de la présence des suspensions élastiques).
Le moule Le moule est une structure mécano-soudée débouchante, en acier traité 66 HRC (photo 1.9). Les noyaux sont en tôle d’acier, fixés sur le moule à l’aide de traverses. L’ensemble assure l’essentiel de la conformation du produit, les deux faces supérieures et inférieures étant en contact respectivement avec le pilon et avec la planche.
La planche La planche sert de support plan au moule et au produit moulé. Elle assure la transmission de l’énergie de vibration de la table vibrante vers le couple moule/béton. Elle sert aussi au convoyage du bloc. Elle est généralement en bois (épaisseur 45 mm) car les planches métalliques, bien qu’elles soient plus efficaces, sont plus chères et plus bruyantes.
La planche est serrée élastiquement contre des butées fixes, appelées “pontées”, par des vérins à vessie assurant une certaine souplesse au montage.
La table vibrante La table vibrante est l’élément qui transmet la vibration à la planche, via des frappeurs. Elle repose sur des plots élastiques en élastomère permettant le mouvement de la table et participant à l’isolation du système vibrant pour l’environnement extérieur. Sous l’effet des efforts d’inertie du système vibrant, la table vibrante est donc animée d’un mouvement quasi-sinusoïdal : la vibration.
Le système vibrant Le système vibrant est constitué de moteurs (généralement 2 ou 4) qui mettent en rotation des arbres montés en liaison pivot sur la table vibrante (figure 1.10). Les arbres sont équipés de balourds. Les moteurs tournent à la même vitesse (de l’ordre de 3000 tr/min) et ont des sens de rotation inversés pour équilibrer les efforts hors-axe du moule. La table est donc mise en vibration sous l’action de l’inertie des balourds. Le réglage de l’amplitude de vibration se fait par réglage du déphasage entre les balourds. Comme indiqué sur la figure 1.11, les moteurs sont en phase, et l’amplitude est maximale. Lorsque les moteurs sont réglés en opposition de phase, l’amplitude est théoriquement nulle puisque les efforts d’inertie des moteurs se compensent. En pratique, l’opérateur règle la force de vibration (entre 0 et 16000 daN) correspondant aux efforts d’inertie des balourds.
Le pilon Le pilon (ou dameur) est l’effecteur venant appliquer l’effort de compactage sur le produit. De plus, il assure le démoulage du produit compacté lors de la montée du moule. Il est actionné par un vérin piloté à pression constante lors du compactage. Lorsque le pilon atteint un déplacement conférant au produit la hauteur spécifiée, il est bloqué en position, jusqu’à la fin du démoulage.
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Table des matières
Partie 1 : Introduction
1 De la fabrication industrielle des blocs aux matériaux granulaires
1.1 Présentation du produit : le bloc
1.1.1 Fonctionnalités du bloc
1.1.2 Spécifications géométriques
1.2 Le procédé de mise en forme sur presse vibrante
1.2.1 Installation classique pour la production de blocs
1.2.2 Technologie d’une presse
1.2.3 Les différentes opérations
1.3 Analyse technique du procédé
1.3.1 Analyse du matériau
1.3.2 Analyse du produit
1.3.3 Analyse de la presse
1.3.4 Efficacité de la vibration : état de l’art
1.4 Besoins industriels et problèmes scientifiques
1.4.1 De l’amélioration du procédé
1.4.2 De l’enjeu scientifique
Conclusion
Partie 2 : Étude du compactage sous impacts
2 Compactage sous impacts
2.1 Conception d’un essai de compactage sous impacts
2.1.1 Similitudes avec l’essai Proctor et objectifs
2.1.2 Choix technologiques
2.1.3 Mesure et post-traitement
2.2 Mise au point de l’essai
2.2.1 Déroulement de l’essai
2.2.2 Répétabilité
2.2.3 Validation de la mesure
2.2.4 Forme du signal calculé aux interfaces
3 Résultats de l’analyse expérimentale du compactage sous impacts
3.1 Propagation des ondes dans le béton frais
3.1.1 Vitesse des ondes dans le béton frais
3.1.2 Réflexion sur la propagation de l’onde de compression dans le béton frais
3.2 Courbes de densification
3.2.1 Analyse des courbes
3.3 Étude de l’impact initial
3.3.1 Mécanismes du compactage durant l’impact initial
3.3.2 Mode de compactage avant la transition vitreuse
3.3.3 Transition vitreuse
3.4 Efficacité globale du compactage sous impacts
3.4.1 Forme du signal pour les impacts suivants
3.4.2 Efficacité comparée entre essais dynamiques et quasi-statiques
Conclusion
Partie 3 : Étude du compactage sous vibration
4 Les essais
4.1 Présentation du dispositif d’essais
4.1.1 Montage expérimental
4.1.2 Mesures
4.1.3 Configuration
4.1.4 Définition des essais
4.2 Déroulement des essais
4.2.1 Protocole expérimental
4.2.2 Post-traitement des mesures
4.3 Présentation des résultats expérimentaux
4.3.1 Mesure brute
4.3.2 Analyse spécifique de la dynamique des ondes
4.3.3 Analyse de la répétabilité des essais
4.3.4 Résultats des essais de compactage sous vibration
4.3.5 Résultats des essais de compactage quasi-statique
4.3.6 Résultats des essais de compactage quasi-statique cyclique
4.3.7 Résultats des essais de relaxations multiples
4.3.8 Résultats des essais de fluage
5 Analyse du comportement du béton frais sous vibration
5.1 Vibration et frottement aux parois
5.1.1 Analyse du frottement global
5.1.2 Analyse du frottement local
5.1.3 Interprétation des résultats
5.1.4 Influence du frottement sur l’échantillon
5.2 Rôle de la vibration
5.2.1 Efficacité de la vibration durant l’écrasement
5.2.2 Influence de la vitesse de compactage
5.3 Vibration : efficacité de la décharge
5.3.1 Effet des décharges
5.3.2 Modélisation de l’influence de la décharge
5.3.3 Bilan et limites de la modélisation
Conclusion
