Soutenance mémoire
La technique de pompage
Le pompage du béton est une des techniques de mise en place du matériau utilisée depuis presque un siècle. Actuellement, elle est largement employée en construction neuve, en réhabilitation, réparation et transport de courte distance. La technique consiste à utiliser un système de pompage composé d’un ou plusieurs pompes et à refouler le béton dans une tuyauterie conduisant le béton à l’endroit désiré. Ainsi, nous pouvons citer quelques ouvrages très connus pour lesquels cette technique a été utilisée:
La grande arche de la défense
Les méga poutres ont été coulées sur place en pompant le béton à travers un système de tuyauterie allant jusqu’à 400 m de long et 130 m de haut. Le béton était pompé avec un débit de 40m3 par heure et une pression de 60 bars.
Le tunnel du TGV méditerranée à Marseille
C’est un chantier en zone urbaine donc le nombre de puits d’accès au sous-sol est limité. De plus, le gabarit réduit du tunnel avait rendu presque impossible l’utilisation des camions toupies pour le bétonnage. Ces toupies devaient parcourir une longue distance et transporter un volume important de béton. En conséquence, la solution pompage a été retenue pour la réalisation du tunnel. Le béton a, donc été pompé depuis deux puits espacé de presque 4 km. La pression a atteint 200 bars, ce qui a nécessité l’emploi des tuyauteries de haute pression ayant des diamètres de 120mm. Le débit enregistré était de 25 m3 par heure et le volume de béton pompé de 200 m3 par plot. Une pompe de distribution a été utilisée pour assurer la répartition du béton au droit des ateliers de bétonnage.
La tour Khaliffe à Dubai
C’est un ouvrage record par rapport à sa hauteur et par rapport au pompage du béton. C’est une tour de plus de 800 mètres de haut (600 mètres en béton suivie d’une partie métallique de plus de 200 mètres). Elle est basée sur une superficie totale d’environ 465 000 mètres carrés. La technique de pompage sans reprise a été retenue pour la structure béton. La pression de pompage nominale est de 200 bars. La tuyauterie de diamètre 150 mm est renforcée pour résister à la pression ainsi qu’à l’abrasion. Pour atteindre la partie la plus haute de la tour, le béton doit être acheminé dans les canalisations pendant 35 minutes.
Le système de pompage
Pompe
Selon Weber (1963) la première pompe à béton a été développée en 1913 aux états unis (Figure 1-4a). Le principe de fonctionnement de cette pompe est basé sur un piston poussé par une force mécanique. Le béton est remplie dans la trémie est puis distribué dans le ou les pistons qui se trouvent en dessous de la trémie par un mécanisme à guillotine (Figure 1-4b). Cependant cette pompe reste un prototype à cause d’un défaut de conception. 20 ans plus tard, la technique de pompage s’est beaucoup développée grâce à la naissance des premières pompes commerciales. Le développement a été boosté grâce au mécanisme hydraulique qui a remplacé l’ancien mécanisme mécanique ainsi qu’au principe de pompe à deux pistons pour augmenter la puissance (Weber, 1963).
Actuellement, les pompes sont divisées en deux catégories.
La première catégorie
Il s’agit des pompes à pistons dont le principe est le même que celui décrit précédemment. Ce type de pompe permet d’obtenir des débits importants. Pour augmenter un peu plus ces derniers, un système de doubles pistons alternatifs est souvent utilisé. Il s’agit de deux pistons avec un décalage de phase. Quand un piston expulse le béton, le deuxième en aspire de la trémie. Ensuite, avec un système de valve, le béton est dirigé vers la sortie de la pompe .
La deuxième catégorie
Cette catégorie concerne les pompes à rotor. Par rapport au premières, celles-ci permettent de pomper en continue. En conséquence, les pertes de bétons résiduels et les risques de bouchons sont diminués. Le système se compose d’un tuyau souple placé sous vide dans une chambre cylindrique et d’un rotor muni de deux ou trois rouleaux de compression péristaltique (Figure 1-6). Le mouvement péristaltique du tuyau crée par la rotation du rotor fait avancer le béton. A cause de sa faible puissance et de son faible débit cette pompe ne s’utilise qu’en cas de pompage délicats de bétons spéciaux: le béton léger, le mortier, etc… La seule pièce à remplacer est le tuyau souple avec une durée de vie d’environ 100 heures de travail suivant la nature du béton à pomper.
Tuyauterie
Le système de canalisation qui conduit le béton de la sortie de la pompe jusqu’à l’endroit de mise en place est appelé « tuyauterie ». En général, les matériaux des tuyaux sont en métal et ayant un diamètre de 65 mm, 100 mm, 125 mm ou 150 mm et une longueur courante de 1m, 2m ou 3m. Des longueurs plus importantes peuvent être réalisées en reliant les tuyaux entre eux à l’aide de colliers .
Relation pression-débit
En pratique, le choix de la pompe appropriée est basé sur la pression nécessaire pour atteindre un débit souhaité pour un circuit de pompage donné. D’autre part, la maniabilité du béton est aussi un facteur influençant la pression de pompage. A partir d’expériences pratiques, certains abaques ont été établis pour prédire la pression. En général, ces abaques permettent d’exprimer la pression de pompage en fonction de 3 variables qui sont: l’affaissement (ou l’étalement) du béton, la géométrie de la tuyauterie et le débit requis.
Exemple: Pour obtenir un débit de 40 m3/h d’un béton ayant un affaissement de 40 cm pompé dans une tuyauterie de 125 mm de diamètre sur une distance de 300 m et une hauteur de 80 m, la pression de pompage doit être de 84 bars et la puissance de la pompe de 132 kW.
Problèmes rencontrés lors du pompage
Amorçage de la tuyauterie de pompage
Pour éviter les bouchons en phase de démarrage, une barbotine composée de ciment et d’eau est utilisée. Cette barbotine permet de former une pellicule de coulis sur la paroi du tuyau afin de diminuer les frottements avec les granulats du béton. Selon Kaplan (Kaplan 2000), sur un certaine distance de l’entrée de la tuyauterie, des gros granulats ne suivent pas parfaitement le sens de l’écoulement mais ont tendance à se diriger vers la paroi à cause de l’inertie créée par le mouvement du piston. Si la viscosité de la barbotine n’est pas suffisante pour maintenir les gros granulats en suspension, la ségrégation a lieu et les bouchons se forment. Cette théorie de Kaplan a été étayée qualitativement par des observations de bouchons en phase de démarrage. En effet, Kaplan a montré le rôle important de la couche de glissement par rapport à l’apparition, des bouchons lors de l’écoulement du béton. Ainsi, on peut constater (Figure 1-9b) que grâce à la couche de glissement clairement observée sur l’échantillon de droite, le béton s’écoule librement. A l’inverse de l’échantillon de gauche (Figure 1-9a) dont les granulats sont en contact direct avec la paroi.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 : Etude bibliographique
1. La technique de pompage
1.1. Le système de pompage
1.1.1. Pompe
1.1.2. Tuyauterie
1.2. Relation pression-débit
1.3. Problèmes rencontrés lors du pompage
1.3.1. Amorçage de la tuyauterie de pompage
1.3.2. Stabilité du béton sous pression
2. Rhéologie du béton frais
2.1. Introduction
2.2. Lois de comportement rhéologique
2.3. Influence des paramètres de compositions sur la rhéologie
2.3.1. Influence des compositions
2.3.2. Influence du malaxage sur la viscosité plastique
2.4. Relation entre rhéologie et pompage
2.5. Rhéométrie
2.5.1. Méthode de rotation
2.5.1.1. Les rhéomètres à cylindres concentriques
2.5.1.2. Les rhéomètres à plaques parallèles
2.5.1.3. Les rhéomètres à cône et plaque
2.5.1.4. Rhéomètre type malaxeur
2.5.2. Méthode de tube
2.5.2.1. Viscomètre à capillaire
2.5.2.2. Viscosimètre à extrusion capillaire
2.5.3. Comparaison des rhéomètres de béton
2.6. Rhéomètres utilisés
2.7. Conclusion
3. Tribologie du béton frais
3.1. Introduction
3.2. Relation entre la rhéologie, la tribologie et le pompage
3.3. Tribométrie
3.4. Tribomètre utilisé
4. Couche limite et les effets sur le pompage
4.1. Introduction
4.2. Caractéristiques de la couche limite
4.3. Effets sur le pompage
5. Techniques de mesure du profil de vitesse d’écoulement des fluides
5.1. Technique de mesure pour une conduite fermée
5.1.1. Imagerie par Résonance Magnétique
5.1.2. Ondes ultrasonores – effet Doppler
5.2. Technique de mesure à surface libre
5.2.1. Vélocimétrie Laser Doppler
5.2.2. Vélocimétrie par Image de Particules
6. Conclusions et objectifs de recherche
Chapitre 2: Etalonnage du rhéomètre Tattersall MK-II par résolution numérique
1. Avantage du rhéomètre Tattersall MK-II
2. Inconvénient du rhéomètre Tattersall MK-II
3. Solution numérique
3.1. Outil de simulation
3.2. Equations gouvernant le comportement rhéologique du béton
3.3. Plan de simulation
3.4. Simulation du rhéomètre Contec Viscometer 5
3.4.1. Maillage
3.4.2. Résultats de simulation
3.5. Simulation du rhéomètre Tattersall MK-II
3.5.1. Maillage
3.5.2. Résultats de la simulation
3.6. Modélisation des résultats numériques
3.6.1. Méthode de modélisation
3.6.2. Résultats de la modélisation
3.6.3. Incertitude de la modélisation numérique
4. Comparaison avec le rhéomètre à mortier AntonPaar MCR-52
5. Comparaison avec le rhéomètre à béton Contec Viscometer 5
6. Discussions
6.1. Calibration par CFD
6.2. Taux de cisaillement dans le rhéomètre
6.3. Phénomène de faux rhéo-fluidifiant
7. Conclusions
Chapitre 3 : Influence des paramètres de composition sur les caractéristiques de la couche limite – Diamètre maximal des granulats
1. L’effet géométrique de la paroi
2. Formulation des bétons
3. Configuration de l’essai de mesure de profil de vitesse
3.1. Conception de l’essai
3.2. Longueur d’entrée hydrodynamique
4. Appareil de mesure
5. Déroulement de l’essai
6. Rhéologie et tribologie des matériaux étudiés
7. Résultats de la mesure de vitesse
7.1. Vérification de la longueur d’entrée hydrodynamique
7.2. Résultats de mesures du profil de vitesse par l’analyse PIV
8. Discussions
CONCLUSION
