Mise au point d’une méthodologie pour la formulation des bétons secs à démoulage immédiat

Le béton est un mélange principalement constitué de granulats, de ciment et d’eau. Cette dernière permet d’obtenir, dans un premier temps, une consistance permettant le moulage du produit. Puis, elle entraine l’hydratation de la matrice cimentaire et donc le durcissement du produit. Les propriétés de celui-ci varient en fonction de son application. Sa formulation est adaptée afin d’obtenir la consistance et les performances mécaniques désirées. Il est possible de distinguer deux types de bétons : à démoulage différé ou immédiat. Les bétons à démoulage différé sont démoulés en général après plusieurs heures de durcissement. En effet, afin de permettre leur mise en place dans le moule, leur consistance doit présenter un affaissement plus ou moins prononcé qui exclut le démoulage immédiat du produit.

A contrario, les bétons secs à démoulage immédiat, objets des présents travaux de thèse, sont des matériaux cimentaires présentant une consistance suffisamment ferme pour être démoulés immédiatement après leur fabrication. Ceci est rendu possible par la quantité de ciment nécessaire pour obtenir les résistances désirées. En effet, elle requiert un dosage en eau pour son hydratation suffisamment faible pour permettre l’obtention d’un matériau de type terre humide, utilisable pour un démoulage immédiat. Le volume de pâte ne remplissant pas l’espace inter-granulaire permet également d’obtenir une consistance adaptée. Les bétons secs sont généralement mis en place à l’aide d’un procédé de vibro-compaction par presse vibrante, adapté à une consistance ferme de béton. Cette méthode permet une cadence de production importante puisque les moules ne sont pas immobilisés durant le durcissement.

Le béton à démoulage immédiat est utilisé pour la fabrication de différents produits, comme les bordures, les pavés, les entrevous ou les blocs sur presse vibrante et les tuyaux sur presse radiale. Les travaux de recherches ont principalement concerné les blocs, qui présentent la production la plus importante en volume de la préfabrication béton [1]. En effet, ces produits sont très utilisés grâce à leurs atouts majeurs pour la construction : bonne connaissance des ouvriers sur chantier, manutention facilitée par des dimensions et des poids adaptés, performances thermiques et sismiques intéressantes et faible impact environnemental.

Le contexte économique des dernières années et la constante évolution du marché renforce la volonté des industriels d’améliorer la compréhension des phénomènes liant formulation et performances, afin de pouvoir optimiser leurs matériaux. Actuellement, l’amélioration de la fabrication des blocs repose principalement sur l’expérience des opérateurs. L’approche méthodologique est donc essentiellement empirique. C’est pourquoi les industriels ont confié au Cerib (Centre d’Études et Recherches de l’Industrie du Béton) la réalisation d’une étude pour la mise au point d’une méthode de formulation.

État de l’art

En France, les blocs sont aujourd’hui les produits les plus fabriqués en préfabrication béton avec un chiffre d’affaires en 2015 de 418 millions d’euros pour 7 646 102 tonnes produites. Toutefois, ce chiffre représente une baisse de 20 % par rapport à l’année 2013 [1] [3]. Ce contexte économique et l’évolution des besoins (label E+C- , etc.) entraînent les industriels à rechercher des voies d’innovation et une meilleure compréhension des phénomènes entre formulation et performances afin d’optimiser le matériau béton. L’objectif est donc de leur fournir un outil adapté à leurs produits. En effet, les blocs sont des éléments de construction présentant plusieurs particularités par rapport à d’autres produits en béton. La géométrie, les propriétés mécaniques, la porosité, la consistance et le procédé de fabrication sont autant de spécificités des blocs. De plus, ces produits, souvent structurels, sont réalisés selon des normes, soumis au marquage CE et disposent d’un référentiel de certification. En effet, la conception des éléments de constructions à partir de blocs est définie par l’Eurocode 6 et la mise en œuvre sur chantier par des documents techniques unifiés (DTU). La norme produit (NF EN 771-3 Spécifications pour éléments de maçonnerie Partie 3 : Éléments de maçonnerie en béton de granulats) et son complément national spécifient les exigences à satisfaire. L’état de l’art a pour but de présenter l’ensemble des propriétés des blocs et de leur procédé de fabrication, en particulier ces exigences normatives et les valeurs types de l’industrie. Ces informations sont en particulier comparées à des produits en béton standards, définis comme des bétons à démoulage différé, de consistance ferme à fluide et de résistance comprise entre 20 et 80 MPa.

Les méthodes de formulation actuelles sont étudiées, afin de déterminer leur applicabilité aux bétons secs à démoulage immédiat. Les recherches ont porté sur :
· les recommandations proposées par le Cerib pour la formulation des blocs ;
· les méthodes de formulation utilisées pour l’optimisation des bétons standards (méthodologies de Féret, Bolomey, Dreux et De Larrard) ;
· les méthodes utilisées pour la formulation de produits en bétons présentant des similitudes avec les blocs (béton compacté au rouleau et béton drainant).

La synthèse bibliographique a permis d’identifier un modèle numérique développé pour prédire le volume de granulat d’un mélange : le modèle d’empilement compressible. Il est étudié afin de déterminer la possibilité de l’utiliser dans le cadre de notre méthode. Afin de comprendre son fonctionnement, les notions de compacité virtuelle et réelle sont définies. Par ailleurs, comme cet outil simule des mélanges granulaires secs en milieu infini, les influences de la teneur en eau et de la géométrie du moule sur le volume de granulat sont également étudiées. Pour formuler un béton, il faut aussi déterminer les volumes de ciment, d’addition, d’air et d’eau. Une étude a donc porté sur l’influence de ces constituants sur les performances des bétons aux états frais et durci. Des équations simulant les propriétés à partir de la formulation sont recherchées, afin d’être introduite dans la méthode finale. Par ailleurs, le volume d’air étant important dans un bloc (entre 70 et 150 L/m3 contre 10 à 40 L/m3 pour les bétons à démoulages différés sans entraineur d’air), les types de pores présents dans un béton sont étudiés, ainsi que leurs mécanismes de formation.

Le bloc et sa fabrication

L’objectif de la thèse est de mettre au point une méthodologie pour la formulation des bétons secs à démoulage immédiat utilisés pour la fabrication de blocs. Dans un premier temps, il est donc nécessaire de définir et comprendre cet élément de maçonnerie très répandu.

Le bloc n’est pas un produit unique, il existe une grande variété de géométries et dimensions. Par exemple, les blocs pleins et perforés, dont la teneur importante en béton apporte des performances mécaniques supérieures au bloc creux, sont principalement utilisés pour réaliser les fondations des bâtiments. Les blocs creux sont utilisés pour l’élévation des bâtiments et peuvent être complétés par des isolants afin d’améliorer les performances thermiques. De même, la formulation et les propriétés des blocs peuvent varier d’un produit à l’autre. Deux grandes familles sont à distinguer :

· les blocs à enduire présentent une surface assez rugueuse (aspect caverneux et poreux) pour permettre l’application d’un enduit définissant l’aspect final du mur ;
· les blocs de parement destinés à rester apparents dans le mur présentent une ou plusieurs de leurs faces extérieures conforme(s) à l’aspect du mur final.

Afin de comprendre l’intérêt des recherches, il est nécessaire de présenter les particularités des blocs. Ainsi, les exigences normatives et les recommandations pour la formulation d’un bloc sont étudiées. Puis, les caractéristiques spécifiques sont répertoriées, ainsi que les particularités de formulation et de géométrie les expliquant. Pour finir, le cycle de fabrication particulier de la presse vibrante nécessaire à leur confection est présenté.

Exigences normatives et recommandations

Tout d’abord, il s’agit de connaitre les exigences normatives concernant les blocs. Il existe un marquage CE obligatoire depuis janvier 2005 et une norme européenne NF EN 771-3 Spécifications pour éléments de maçonnerie-Partie 3 : Éléments de maçonnerie en béton de granulats répertorie l’ensemble de ces obligations, portant sur le résultat mais pas sur les moyens utilisés pour l’obtenir. Ainsi, pour chaque modification apportée à la formulation ou au procédé de fabrication, il est nécessaire de vérifier la conformité du produit par rapport aux normes de référence (annexes 1 et 2). De même, des contrôles réguliers des performances sont réalisés en usine afin de limiter la quantité de rebus dus à des défauts. Par exemple, il existe des tolérances dimensionnelles à respecter garantissant la taille du produit, notamment sa hauteur, évitant ainsi une hétérogénéité des produits sur chantier, qui perturberaient la mise en œuvre. En plus des dimensions, une exigence géométrique est portée sur la planéité des blocs, afin d’assurer la solidité de la construction. Au niveau de l’aspect de surface, tout bloc présentant des fissures et/ou déformations est considéré comme défectueux.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 – État de l’art
Introduction
1. Le bloc et sa fabrication
1.1. Exigences normatives et recommandations
1.2. Caractéristiques d’un bloc béton
1.3. Fabrication
1.4. Conclusion
2. Méthodes de formulation existantes
2.1. Formulation des blocs
2.2. Formulation des bétons courants
2.3. Formulation de matériaux similaires au bloc
2.4. Conclusion – Méthode de formulation pour les blocs
3. Détermination du volume de granulat maximal
3.1. Modèle d’empilement compressible
3.2. Paramètres impactant la compacité réelle
4. Influence des volumes d’air, ciment, addition et eau sur les performances
4.1. Influence sur l’état frais
4.2. Influence sur l’état durci
4.3. Le volume poreux dans le béton
Conclusion
Chapitre 2 – Méthodologies
Introduction
1. Mesure de la compacité du mélange granulaire
1.1. Principe
1.2. Essai LCPC – Détermination des compacités résiduelles
1.3. Mesures de compacité sur presse à blocs
1.4. Influence de la teneur en eau
2. Fabrication des produits béton
2.1. Fabrication du béton
2.2. Fabrication des blocs
2.3. Fabrication d’éprouvettes de taille réduite
Mise au point d’une méthodologie pour la formulation des bétons de blocs
2.4. Stockage
3. Caractérisation de l’état frais du bloc béton
3.1. Aptitude au démoulage immédiat après vibro-compactage
3.2. Masse volumique à l’état frais
3.3. Perte de masse au démoulage
4. Caractérisation de l’état durci du bloc béton
4.1. Surfaçage des éprouvettes
4.2. Résistance en compression
Conclusion
Chapitre 3 – Optimisation du mélange granulaire
Introduction
1. Indice de serrage en fonction des paramètres de vibration
1.1. Démarche expérimentale
1.2. Influence de la vibration sur la compaction
1.3. Indice de serrage d’une fabrication sur presse vibrante
2. Effet de paroi en fonction de la géométrie du moule
2.1. Démarche expérimentale
2.2. Paramètres influençant l’effet de paroi
2.3. Précision de l’équation de l’effet de paroi
3. Validation expérimentale
3.1. Programme expérimental
3.2. Précision du modèle développé
4. Paramètres de formulation influençant la compacité
4.1. Influence de la proportion des matériaux
4.2. Influence de la nature des matériaux
5. Volume de granulats dans un béton
5.1. Influence de la teneur en eau sur la compacité
5.2. Influence du mode de remplissage sur le volume de granulats
5.3. Volume de granulats dans le béton de bloc
Conclusion – Détermination du volume de granulats maximal
Conclusion générale

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