Les bétons autoplaçants : influences du type de granulat, d’adjuvant et d’ajout

Particularités du BAP

    Les BAP contiennent un volume important de pâte (de l’ordre de 330 à400 ℓ/m3) et une quantité de fines (≤80 µm) supérieure à celle des bétons conventionnels (environ 500 kg/m3), obtenue en abaissant la proportion volumique des gravillons et le rapport gravillon sur sable (proche de 1). Les bétons autoplaçants (BAP) se distinguent donc des bétons dits ordinaires (BO), ou bétons à vibrer, par leurs propriétés à l’état frais. Ils sont capables de s’écouler sous leur propre poids, quel que soit le confinement du milieu, et reste homogènes au cours de l’écoulement (absence de ségrégation dynamique) et en place (absence de ségrégation statique) [17] [26]. Pour parvenir au cahier de charges recommandé par l’AFGC[17], les BAP sont formulés différemment du béton classique car il s’agit de concilier deux propriétés contradictoires : la fluidité et la stabilité [49]. Dans leur cas, la pâte, définie comme le mélange du ciment, de l’eau et d’une addition, est privilégiée au détriment des gravillons. En général, les BAP possèdent un même dosage en ciment et eau que les bétons ordinaires (BO), ainsi que le volume de sable assez proche. C’est donc principalement l’ajout d’une addition qui sert de substitut aux gravillons. Les proportions exactes de chaque constituant dépendent bien sûr de la formulation choisie.La quantité de fines n’est pas non plus toujours suffisante pour empêcher la ségrégation. On a recours alors aux agents de viscosité. Ces adjuvants sont souvent des polymères, composés de longues molécules organiques qui augmentent la viscosité de l’eau de gâchage. Ils assurent une meilleure stabilité du béton et le rendent moins sensible aux variations de teneur en eau des granulats, courantes en centrale à béton [25][26]. Cela étant, en pratique leur utilisation est au contraire peu répandue, car ils entraînent un surcoût, qui s’ajoute aux surcoûts dus au superplastifiant et aux additions suivant la figure3. Évidemment, un béton est qualifié d’autoplaçant, non pas par rapport à sa composition, mais parce qu’il possède certaines propriétés à l’état frais. Il existe de par le monde divers essais pour caractériser des BAP. Après plusieurs recherches effectuées en laboratoires, les essais ont montré que pour répondre aux exigences de cahiers de charges, la composition du béton autoplaçant doit avoir un certain nombre de caractéristiques :
– Grande proportion en fines ;
– Volume de pâte important ;
– Ajouts de superplastifiant et rétenteurs d’eau (agent de viscosité) ;
– Faible volume en gravillons.
Le but dans l’augmentation de la quantité de fines, qui peut atteindre environ 500kg/m3 , est d’assurer la maniabilité, de limiter les risques de ressuage et de ségrégation. Il s’agit aussi de remplacer une quantité de ciment pour éviter l’élévation de température lors de la prise du ciment et de diminuer la quantité de CO2 émise. Un volume de pâte important : on entend par pâte, le mélange de ciment, d’eau, d’addition et air inclus. Une pâte importante permet d’écarter les granulats les uns des autres, de diminuer les forces de frottements qui ont tendance à limiter l’étalement du béton, bloquer son passage dans les zones confinées et donc diminuer la capacité de remplissage des coffrages. Afin de modifier la fluidité du BAP, il est nécessaire d’utiliser un superplastifiant, ce dernier augmente l’ouvrabilité du béton mais par contre réduit sa viscosité. De ce fait, le matériau devient moins stable du point de vue ségrégation et ressuage. Pour minimiser l’effet négatif du superplastifiant, on ajoute généralement un agent de viscosité (ou agent colloïdal). L’agent de viscosité est un polymère qui interagit avec l’eau et rend la pâte plus visqueuse. Faible volume en gravillons : lors de l’écoulement du béton dans des zones confinées, les gros granulats ont tendance à bloquer le passage et à interrompre l’écoulement du béton. Pour minimiser les risques de blocage, on opte pour des granulats de diamètre inférieur à20mm (diamètre maximal doit être compris entre 10 et 20 mm). Les BAP sont des bétons à quatre composants : les granulats, le liant, l’eau et les ajouts. Les granulats et le ciment pour un BAP sont les mêmes que ceux utilisés pour la fabrication des BO. En plus des granulats, la formulation d’un BAP se distingue par la présence d’ajout minéral et/ou chimique. Les ajouts minéraux sont définis par la norme européenne provisoire ENV 206 Béton [44]. « Matériau minéral finement divisé et pouvant être ajouté au béton pour améliorer certaines de ses propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières ». Il faut préciser que les améliorations et les propretés particulières sont évidemment autres que celles qu’apporterait une poudre de même finesse considérée comme simple granulat. L’utilisation des ajouts minéraux a des bénéfices : fonctionnels, économiques, et écologiques. Du point de vue bénéfices fonctionnels, l’incorporation des particules fines améliore la maniabilité, les propriétés mécaniques et la durabilité du béton. Elles diminuent la demande en eau,àl’ exception des particules très fines qui augmentent la demande en eau vu leur grande surface spécifique. La substitution d’une quantité de ciment par des fines diminue la chaleur d’hydratation dégagée lors de la confection du béton, ce qui diminue la fissuration d’origine thermique. Du point de vue économique, la majorité des ajouts minéraux sont des sous-produits de différentes industries. Le remplacement du ciment qui est un grand consommateur d’énergie par des ajouts minéraux permet de réduire le coût du béton. Enfin, sur le plan écologique, l’utilisation de ces sous-produits permet de les éliminer de la nature, tout en diminuant la quantité de CO2 émise par l’industrie cimentaire. L’ajout minéral peut être sous forme de particules minérales fines qui correspondent à des additions normalisées ou non, ou des particules ultrafines telles que les fumées de silice. Les ajouts minéraux sont : le laitier de haut fourneau, les cendres volantes, les fumées de silice. Les ajouts chimiques sont des adjuvants qui, incorporés au béton, modifient une ou plusieurs de ses propriétés à l’état frais ou durci. Étant constitués le plus souvent de produits tensioactifs, il suffit donc de très faibles proportions du produit pour provoquer des modifications importantes des propriétés du béton, notamment si le dosage prescrit par le fabricant est respecté. Pour certains types d’adjuvants, et pour un dosage moindre, le même adjuvant peut présenter une fonction secondaire. La classification des adjuvants repose essentiellement sur les propriétés qu’ils confèrent au béton tels que : l’adjuvant plastifiant-réducteur d’eau, l’adjuvant superplastifiant-haut réducteur d’eau, l’adjuvant rétenteur d’eau, l’adjuvant entraineur d’air, l’adjuvant accélérateur de prise, l’adjuvant accélérateur de durcissement, l’adjuvant retardateur de prise et l’adjuvant hydrophobant qui améliore l’étanchéité du béton.

Le superplastifiant

   Le superplastifiant est un adjuvant qui, introduit dans un béton, un mortier ou un coulis, permet de réduire le dosage en eau et d’ajuster sa fluidité (augmenter l’affaissement au cône d’Abrams), ceci entraine une augmentation de la résistance mécanique. Les principaux superplastifiants utilisés sont à base de :
– Copolymère formaldéhyde naphtalène sulfonate (PNS)
– Copolymère formaldéhyde mélamine sulfonate (PMS)
– Polymère avec des fonctions acrylate (PA).
– Polymère avec des fonctions carboxylate (PC).
– Monomère avec des fonctions phosphonate et/ou carboxylate (MPC).

L’agent de viscosité

   L’ajout d’un superplastifiant dans un béton augmente son ouvrabilité, mais, a tendance à réduire sa viscosité, le matériau devient alors moins stable du point de vue ségrégation et ressuage. Pour minimiser cet effet, l’ajout d’un agent viscosité s’avère nécessaire. Les agents de viscosité sont de natures :
– Dérivées cellulosiques à base de méthyl cellulose, d’hydroxy-éthyl cellulose ;
– Polymères qui sont des polysaccharides obtenu par fermentation microbiologique (exemple : gomme welan, gomme de xanthane) ;
– Colloïde naturel ;
– Suspension des particules siliceuses.
Ils se présentent, généralement, sous forme de poudre à mélanger soit au matériau sec, soit avec une partie de l’eau de gâchage. L’agent de viscosité est composé de longues chaines de polymères qui se fixent sur les molécules d’eau et par enchevêtrement, augmentent la viscosité de la pâte. Ses caractéristiques rhéologiques sont améliorées (cohésion, homogénéité), ainsi que une meilleure adhérence est observée, ceci permet de maintenir une distance entres les granulats et de conserver une répartition homogène des différents constituants et de réduire les interactions de friction et de collision lors de l’écoulement du béton. Ainsi, le risque d’apparition du phénomène de blocage au niveau d’un obstacle est alors minimisé. Si la formule ne contient pas d’agent de viscosité, il est nécessaire d’augmenter la quantité de liant pour assurer un écoulement sans ségrégation. L’utilisation de cet adjuvant n’influe pas sur les propriétés du béton à l’état durci, excepté dans le cas d’une variation de la teneur en air. Un dosage trop élevé de l’agent colloïdal entraine une perte de fluidité et aussi, il conduit à un entrainement d’air excessif. Des études ont montrés que le rôle le plus important de l’agent de viscosité est de faciliter la fabrication du BAP en le rendant mois pointu. En effet, l’emploi d’un agent de viscosité stabilise le béton, et diminue nettement sa sensibilité aux variations de teneurs en eau et au module de finesse du sable.

Monographie d’ouvrage en BAP

   L’école Française du béton est un club de réflexions et d’actions regroupant des meilleurs experts de la construction en béton : maitres d’œuvres, maitres d’ouvrages, architectes, entrepreneurs, industriels du béton, contrôleurs, enseignants-chercheurs. Une collection technique publiée par cette école à travers son Président, a permis d’affiner la définition des bétons autoplaçants et a conduit à exclure du concept certains types de bétons qui, bien que très fluidifiés par simples ajouts d’eau, ne relèvent pas de cette classification. Pour toute la communauté technique d’aujourd’hui, les bétons autoplaçants appelés bétons autonivelants dans le cas des dalles, sont :
– des bétons très fluides,
– des bétons absolument homogènes,
– des bétons mis en œuvre sans vibration et sans chocs,
– des bétons présentant des résistances et des durabilités analogues à cellesdes bétons traditionnels et celles des bétons à hautes performances.
Les bétons autoplaçants se caractérisent par :
– la mobilité en milieu confiné, c’est-à-dire l’écoulement sans vibration dans les coffrages de grande hauteur et dans les tuyaux de pompage ;
– la mobilité en milieu non confiné, c’est-à-dire l’écoulement dans les dalles horizontales armées ou non armées ;
– la stabilité au repos à l’état frais conditionnant la non-ségrégation dans les phases précédant la prise et le durcissement.
Dans les bétons autoplaçants, l’enjeu est d’abord d’ordre économique. D’après le prix Nobel de l’économie, Maurice ALLAIS, « des approches macroéconomiques et des approches systèmes se sont développées dans beaucoup de secteur industriel ces dernières années ». Parmi, toutes les conséquences tirées de ces approches, il est souvent apparu que « le moindre coût d’une opération n’est que très rarement l’addition des moindres coûts de chacun des composants de cette opération ». Cette idée, couramment exploitée en construction industrielle n’est pas très répandue encore dans le BTP où le raisonnement économique, poste à poste, est le plus souvent préféré à la recherche d’interactivités économiques entre les postes. En d’autres termes, ces réflexions, appliquées à la construction en béton, signifient que la construction la moins couteuse n’est pas celle qui, notamment, fait appel au béton le moins couteux ; ce qui va à l’encontre d’un point de vue répandu chez beaucoup d’acteurs du BTP. De ce fait, les approches systèmes, seules capables de valoriser à l’extrême les retombées économiques possibles de ces bétons se traduisent en terme, notamment, de réduction des délais d’exécution, de simplification de mise en œuvre, de diminution de matériels, voire de développement de produits nouveaux jusqu’alors inconcevables avec les bétons ordinaires.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Partie I : CONTEXTE GENERAL ET METHODOLOGIE DE TRAVAIL
I. Contexte
II. Méthodologie de travail
II.1. Etudes préliminaires
II.2. Enquêtes sur terrain.
II.3. Recherche en laboratoire
II.3.1. Caractérisation des matériaux de base
II.3.2. Essais sur le BAP à l’état frais *51+
II.3.3. Mesure de la qualité mécanique du BAP à l’état durci
II.4. Orientation de la recherche
II.4.1. Consistance principale de la recherche
II.4.2. Valorisation des matériaux de fabrication artisanale
II.4.3. Vers la normalisation des matériaux de fabrication artisanale
II.4.4. Promotion des Petites et Moyennes Entreprises (PME)
III. Origine des granulats pour béton
III.1. Les granulats artisanaux
III.2. Fabrication en centrale des granulats
IV. Les quelques ouvrages réalisés avec des BAP à Madagascar
V. Conclusion
Partie II : APPROCHE THEORIQUE
I. Synthèse bibliographique sur le concept des bétons
I.1. Constituants
I.2. Fabrication
I.3. Particularités du BAP
I.4. Mise en œuvre
I.5. Impacts socio-économiques
I.6. Diverses appellations
I.7. Mécanisme d’action du superplastifiant et l’agent de viscosité
I.7.1. Le superplastifiant
I.7.2. L’agent de viscosité *52+
I.7.3. Le couple superplastifiant et agent de viscosité
II. La formulation des bétons
II.1. Formuler des bétons
II.2. Méthode DREUX-GORISSE
III. Revue bibliographique sur le concept du béton autoplaçant
III.1. Monographie d’ouvrage en BAP *16+*29+*56+
III.2. Les essais pour contrôler les Bétons Autoplaçants
III.3. Les atouts des BAP pour la réalisation des parements
IV. Revue bibliographique sur les méthodes de formulation des BAP
IV.1. Principes de Formulation
IV.2. Formulation par la méthode japonaise [18] [19]
IV.3. Méthodes basées sur l’optimisation des mortiers
IV.4. Méthode basée sur l’optimisation de pâte
IV.5. Méthode basée sur le volume minimal de pâte
IV.6. Méthodes basées sur l’optimisation du squelette granulaire
IV.7. Méthode basée sur le plan d’expérience
IV.8. Méthode basée sur l’approche du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées LCPC
IV.9. Analyse de quelques approches
IV.10. Conclusion
IV.11. Remarque sur la formulation du Béton autoplaçant
IV.11.1. Granulométrie
IV.11.2. Optimisation du rapport G/S
IV.11.3. Conclusion
V. Fabrication, transport et mise en place des BAP
Partie III : ÉTUDES EXPERIMENTALES
I. Objectif de l’étude
I.1. Variables de l’étude
I.2. Les essais à réaliser
II. Procédure expérimentale
II.1. Identification des matériaux
II.2. Échantillonnage
II.3. Méthodes de caractérisation
II.3.1. Analyses granulométriques
II.3.2. Module de finesse Mf
II.3.3. Détermination des masses volumiques et densités
II.3.4. Essai d’Equivalent de sable
II.3.5. Essai Los Angeles – Coefficient de Los Angeles
II.3.6. Détermination des coefficients d’aplatissement et volumétrique
III. Caractéristiques des constituants
III.1. Le ciment
III.2. Les sables
III.2.1. Granularité des sables
III.2.2. Les autres caractéristiques de sables
III.2.3. Etude comparative des sables
III.3. Les gravillons
III.3.1. Granularité des gravillons
III.3.2. Les autres caractéristiques des gravillons
III.4. Les ajouts
III.4.1. Le superplastifiant
III.4.2. Le filler calcaire (Agent de viscosité)
III.4.3. L’eau de gâchage
IV. Formulation des bétons ordinaires témoins.
IV.1. Application pratique de la méthode DREUX
IV.1.1. Composition pour chaque formulation
IV.1.2. Etude comparative des compositions
V. Formulation des bétons autoplaçants
V.1. Formulation du BAP pour chaque type de composant
V.1.1. Gravillons de fabrication artisanale : 5/15 et 15/25 avec du sable de rivière et du superplastifiant + ciment – BAP1
V.1.2. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8 et 5/15 avec du sable de rivière + ciment + eau, mais, sans superplastifiant – BAP2
V.1.3. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8 et 5/15 avec de sable de rivière + ciment + eau + superplastifiant – BAP3
V.1.4. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8, 5/15 et 15/25 avec du sable de rivière + ciment + eau + superplastifiant 1% C – BAP4
V.1.5. Gravillons concassés : 5/15 et 15/25 avec de sable de carrière 0/5 + ciment + superplastifiant 1%C – BAP5
V.1.6. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8 et 5/15 avec du sable de rivière + ciment + superplastifiant 1%C + filler calcaire 2,5 %C – BAP6
V.1.7. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8, 5/15 et 15/25 avec de sable de rivière + superplastifiant 1%C + Filler calcaire 2,5%C + ciment – BAP7
V.1.8. Gravillons concassés : 5/15 et 15/25 avec de sable de carrière + superplastifiant 1%C + Filler calcaire 2,5%C + ciment – BAP8
V.1.9. Gravillons de fabrication artisanale : 3/8 et 5/15 avec de sable de rivière + ciment +superplastifiant 2 %C + filler calcaire 2,5 %C – BAP9
V.2. Etude comparative des différentes compositions
VI. Confection et conservation des éprouvettes
VI.1. Préparation de la gâchée
VI.1.1. Béton ordinaire
VI.1.2. Béton autoplaçant
VI.2. Moulage et serrage
VI.2.1. Béton ordinaire
VI.2.2. Béton autoplaçant
VI.3. Conservation des éprouvettes
VII. Essais de caractérisation à l’état frais
VII.1. Béton ordinaire
VII.2. Béton autoplaçant
VII.2.1. Introduction
VII.2.2. Essais au cône d’Abrams
VII.2.3. Essai de la boite en L
VII.2.4. Essai de la stabilité au tamis
VII.3. Résultats des essais à l’état frais des BAP
VII.3.1. Essais au cône d’Abrams
VII.3.2. Essai de la boite en L
VII.3.3. Essai de la stabilité au tamis
VII.3.4. Récapitulation des résultats
VIII. Essais de compression à l’état durci de bétons témoins et des BAP
VIII.1. Mode opératoire
VIII.2. Méthode concernant les essais à la compression des bétons ordinaires et des BAP
VIII.3. Essais de compression sur les bétons témoins
VIII.3.1. Résultats des essais sur béton ordinaire (B.O)
VIII.3.2. Moyennes des résultats pour les différentes formulations
VIII.3.3. Interprétation et discussion sur les B.O
VIII.3.4. Recommandations et conclusion partielle
VIII.4. Essais de compression sur les BAP
VIII.4.1. Résultats des essais à la compression pour les BAP à l’état durci
VIII.4.2. Discussion et interprétation
CONCLUSION GENERALE

Télécharger le rapport complet