Soutenance mémoire
Les Bétons Ultra Fibrés Performants (BFUP) représentent actuellement la famille de matériaux à matrice cimentaire aux propriétés mécaniques et de durabilité les plus exceptionnelles. En outre, leur capacité autoplaçante à l’état frais offre une excellente qualité de mise en œuvre particulièrement adaptée à la préfabrication. Or, malgré leurs caractéristiques et leurs avantages indéniables, certaines spécificités liées à leurs formulations et à leur production rendent leurs coûts prohibitifs et leur bilan carbone peu satisfaisant, ce qui freine leur essor. Leurs applications résident ainsi très souvent, à ce jour, en quelques « niches » pour lesquelles leurs qualités les rendent indispensables.
Synthèse bibliographique
Après une brève présentation des généralités, nous commencerons par détailler les spécifications concernant la mise au point de formulations des BFUP, ceci afin d’identifier les préconisations concernant la sélection des matières premières et les principes de formulation permettant d’atteindre des performances mécaniques élevées. Cette partie permettra notamment de mettre en évidence les particularités de ces bétons qui constituent, à l’heure actuelle, des freins à son usage. Nous nous intéresserons aussi aux spécifications liées à la fabrication de BFUP à l’échelle industrielle.
Dans un second temps, nous présenterons les propriétés des BFUP. Une synthèse sur le comportement à l’état frais sera détaillée afin d’identifier les paramètres à prendre en compte lors de la mise en œuvre de ces matériaux. Nous poursuivrons par la présentation des propriétés mécaniques avec l’identification des facteurs influents permettant d’obtenir des performances élevées. Outre ces caractéristiques mécaniques considérées comme exceptionnelles, les BFUP ont également la réputation d’avoir une durabilité remarquable. Cet aspect est évalué via les indicateurs généraux de durabilité, comme pour les bétons classiques. La comparaison de leurs valeurs avec celles d’autres types de béton, ainsi que l’exploitation de travaux récents menés sur les propriétés de transfert des BFUP permettra de mieux apprécier leur durabilité.
Généralités
Les études menées depuis les années 80 sur la formulation et la fabrication des bétons utilisant des additions réactives ainsi que des superplastifiants hauts réducteurs d’eau ont conduit à la mise au point des Bétons à Ultra Hautes Performances (BUHP). Ces bétons présentent des propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelles par rapport aux bétons ordinaires. Cependant, ces bétons ont un comportement fragile aussi bien en compression qu’en traction. Pour y remédier et assurer un comportement ductile, la solution consiste à intégrer des fibres au BUHP qui devient dès lors un Béton Fibré Ultra Performant (BFUP). Par définition, les BFUP se distinguent des bétons à hautes performances et à très hautes performances par leurs résistances caractéristiques en compression supérieures à 150 MPa à 28 jours ; par l’emploi de fibres qui assurent la non fragilité du matériau ; par leur fort dosage en liant et leur très faible dosage en eau; et par la sélection particulière des granulats (AFGC, 2002).
Plusieurs BFUP commerciaux existent sur le marché Français :
❖ les différents produits de la gamme Ductal® développés par Lafarge ;
❖ le BSI® développé par Eiffage ;
❖ le BCV® développé par Vinci ;
❖ le CEMTECmultiscale® développé par l’IFSTTAR.
D’autres produits sont en cours de développement au CERIB, ou chez EDF. La première application en BFUP (Ductal®) fut la réalisation de la passerelle piétonne à Sherbrooke (Québec, Canada) en 1997. En 1998, la première application en Ductal® en France fut la réalisation des poutrelles de renforcement d’un aéroréfrigérant de la centrale nucléaire de Cattenom. D’autres ouvrages en BFUP ont aussi vu le jour après la publication de la recommandation provisoire de l’AFGC en 2002, tels que la passerelle piétonne SakataMirai au Japon en 2002, celle de la Paix à Séoul en 2004, la passerelle des Anges du pont du Diable à Saint Jean de Fos (Hérault) en 2007, le musée MUCEM à Marseille en 2013, et le stade Jean Bouin à Paris en 2014 pour n’en citer que quelques-uns.
Cependant, malgré les performances mécaniques et la durabilité uniques que présentent les BUHP (avec ou sans fibres), leur utilisation reste à l’heure actuelle restreinte à cause de leurs coûts élevés liés aux forts dosages en constituants onéreux tels que le ciment, la fumée de silice, les fibres métalliques et les superplastifiants.
Composition des BFUP
Par définition, les BFUP sont des matériaux à matrice cimentaire de résistance caractéristique à la compression à 28 jours supérieure à 150 MPa et pouvant aller jusqu’à 250 MPa (AFGC, 2002 et 2013). Cette partie décrit les spécifications concernant le choix des matériaux ainsi que les méthodes de formulation des BFUP. Les précautions en termes de fabrication et de mise en œuvre sont également détaillées.
Constituants
Ciment
Les formulations de Béton Fibrés Ultra Performants (BFUP) se caractérisent par l’emploi d’une grande quantité de ciment allant de 700 kg/m3 (Graybeal, 2007) jusqu’à plus de 1000 kg/m3 (Hajar et al., 2004), (Rossi et al., 2005). Cette quantité considérable de ciment, à laquelle vient s’ajouter aussi des ultrafines, a pour but de diminuer au maximum les vides, et d’augmenter, par conséquent, la compacité du mélange. Selon (Habel, 2004), durant le processus d’hydratation, seulement 30% de cette grande quantité de ciment est hydraté. Les grains de ciment anhydre, de grande surface spécifique et de résistance supérieure à celle des hydrates du ciment (portlandite et C-S-H), jouent donc aussi un rôle de fine en procurant, en complément, au matériau une capacité d’auto-cicatrisation.
Pour ce qui est du type de ciment, le choix se porte généralement sur le CEM I 52,5 PMES (Bonneau et al., 1997). Ce type de ciment permet d’obtenir des performances mécaniques élevées de par sa classe 52,5. Contenant une faible teneur en C3A, il permet aussi de réduire la demande en eau, et donc d’augmenter l’ouvrabilité du BFUP. Malgré les avantages que le CEM I 52,5 PM-ES peut apporter, d’autres types de ciment tels que le CEM II 42,5 et les CEM III ont été utilisés dans la confection de BFUP (Toledo Filho et al., 2012), (Corinaldesi et Moriconi, 2012). Ces ciments peuvent également conduire à des résistances en compression élevées (de 150 MPa à 162 MPa obtenues sur prismes 4x4x16 cm).
Granulat
Le granulat préférentiellement utilisé pour les BFUP est en général un sable dit fin de dimension inférieure à 600 µm (Richard et Cheyrezy, 1995), (de Larrard et Sedran, 1994). Il est défini comme un granulat naturel dont le diamètre du plus gros granulat est limité à 4 mm. Plusieurs auteurs (Richard et Cheyrezy, 1995), (de Larrard et Sedran, 1994) préconisent un sable fin de forme arrondie présentant une forte teneur en silice (> 98 %), et un faible taux d’absorption d’eau. Cette forme de grains tend à également réduire les frottements entre les grains. Cette réduction des frottements accompagnée d’un faible taux d’absorption d’eau favorise l’ouvrabilité. Malgré ces préconisations, (Holschemacher et al., 2003), (Tafraoui, 2009) et (Yang et al., 2009) ont employé des granulats de dimensions variant de 2 à 16 mm dans la confection de leurs BFUP.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION
1.1. Généralités
1.2. Composition des BFUP
1.2.1. Constituants
1.2.1.1. Ciment
1.2.1.2. Granulat
1.2.1.3. Additions pouzzolaniques
1.2.1.4. Rapport Eau/Liant
1.2.1.5. Superplastifiant
1.2.1.6. Fibres
1.2.2. Principe de formulation
1.2.3. Exemple de formulations
1.2.4. Coût de l’emploi des BFUP
1.2.5. Fabrication des BFUP
1.2.5.1. Fabrication au laboratoire
1.2.5.2. Fabrication en usine
1.2.5.3. Mise en œuvre
1.2.5.4. Cure et traitement thermique
1.3. Propriétés des BFUP
1.3.1. Propriétés à l’état frais
1.3.2. Propriétés mécaniques
1.3.2.1. Comportement en compression
1.3.2.2. Comportement en traction
1.3.2.3. Déformations différées des BFUP
1.3.3. Propriétés de transfert
1.3.3.1. Porosité
1.3.3.2. Perméabilité
1.3.3.3. Diffusion des ions chlorures
1.3.3.4. Carbonatation
1.3.3.5. Teneur en portlandite
1.3.3.6. Retours d’expériences
1.3.3.7. Evaluation des risques potentiels liés à la nature des BFUP
1.4. Aspects réglementaires et dimensionnements
1.4.1. Considérations générales
1.4.1.1. Classes associées au type de fibres et de résistance en compression
1.4.1.2. Classes de comportement en traction
1.4.1.3. Prise en compte des coefficients partiels de sécurité
1.4.2. Base de calcul des structures en BFUP
1.4.2.1. Etats limites ultimes (ELU)
1.4.2.2. Vérifications aux Etats Limites de Service (ELS)
1.5. Applications
CONCLUSIONS
CHAPITRE 2 : MISE AU POINT DES FORMULATIONS
INTRODUCTION
2.1. Formulation des BFUP
2.1.1. Sélection des matières premières
2.1.1.1. Ciment
2.1.1.2. Additions
2.1.1.3. Granulats
2.1.1.4. Adjuvant
2.1.1.5. Fibres métalliques
2.1.2. Propriétés physico-chimiques des constituants
2.1.3. Rapport Eau/Liant (E/L)
2.1.4. Mise au point des formulations
2.1.4.1. Travail préliminaire
2.1.4.2. Etude d’optimisation
2.1.4.3. Formulations retenues
2.2. Influence du type et de la capacité des malaxeurs
2.2.1. Analyse des évolutions de la puissance de malaxage sur malaxeur à train valseur de laboratoire
2.2.2. Etude comparative des propriétés des BFUP confectionnés dans différents malaxeurs
2.3. Influence des conditions de cure sur les propriétés mécaniques
CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 : COMPORTEMENT A L’ETAT FRAIS
INTRODUCTION
3.1. Matériels et méthodes
3.1.1. Procédure de malaxage
3.1.2. Essai d’étalement au mini cône et d’écoulement à la mini-boite en L
3.1.3. Mesures au rhéomètre
3.1.4. Exploitation des données brutes des mesures au rhéomètre
3.2. Résultats et discussions
3.2.1. Propriétés rhéologiques immédiatement après le malaxage
3.2.1.1. Essais d’étalement au mini-cône et d’écoulement à la mini-boite en L
3.2.1.2. Mesures au rhéomètre
3.2.2. Propriétés rhéologiques en fonction du temps de repos après le malaxage
3.2.2.1. Evolution des valeurs d’étalement au mini-cône et d’écoulement à la mini-boite en L en fonction du temps de repos
3.2.2.2. Evolution des données obtenues au rhéomètre en fonction du temps de repos
3.2.2.3. Investigation de la thixotropie des BFUP étudiés
3.3. Impact de la thixotropie sur le process de production industrielle
CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 : COMPORTEMENT A L’ETAT DURCI
INTRODUCTION
4.1. Matériels et méthodes
4.1.1. Fabrication et mesures effectuées à l’état frais
4.1.3. Mesure des propriétés mécaniques
4.1.3.1. Mesure des propriétés mécaniques instantanées
4.1.3.2. Déformations différées
4.2. Résultats expérimentaux
4.2.1. Mesures à l’état frais
4.2.2. Comportement mécanique instantané
4.2.2.1. Résistances moyenne et caractéristique en compression
4.2.2.2. Module d’élasticité en compression et coefficient de Poisson
4.2.2.3. Loi de comportement en compression
4.2.2.4. Comportement en traction
4.2.3. Comportement mécanique différé
4.2.3.1. Déformations de retrait
4.2.3.2. Déformations différées sous charge – fluage en compression
CONCLUSIONS
CHAPITRE 5 : MICROSTRUCTURE ET DURABILITE
CONCLUSION GENERALE
