Partie I : La Bibliographie
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Compte tenu de la dimension des grains de ciment, on voit que l'équilibre de la structure est assuré très localement, au voisinage immédiat des associations point-face et que le reste des vides intergranulaires est essentiellement rempli par de l'eau libre. 2.5.2 L'état dispersé des pâtes de ciment Quand les grains de ciment sont secs, les surfaces non saturées électriquement provoquent une attraction électrostatique. En milieu aqueux, lorsqu'ils sont contact avec de l'eau, une couche hydraté diffuse se forme et entoure deux ou groupes des particules qui augmentent la floculation. Lors d'un cisaillement, les 2 particules s'éloignent après rupture du joint entre les 2 membranes, les parties de membranes brisées s'hydratent à leur tour et guérirent la peau cassée. En raison de ce cure ces joints ne peuvent pas alors reformer de la même manière quand la structure vient pour se reposer, c.-à-d. l'agglomération n'est plus possible, elle est irréversible, les membranes occupent une position associée à une énergie répulsive. Ce modèle est conformé à tous les deux la formation instantanée d'une couche protectrice sur le ciment et à la notion des liaisons entre les particules proposées par Tattersall [11]. FIG. 2§ 25: Modèle destructure par cisaillement de la pâte de ciment On se perçoit que la pâte de ciment est une structure floculée qui va influencer importante sur le comportement rhéologique de la pâte. En outre, la structure de la pâte de ciment est évolutive à cause de l'hydratation des grains de ciment dans la suspension, donc il ne faut pas oublier le phénomène chimique lors d'étudier le comportement rhéologique des suspensions cimentaires. 2.6 Les paramètres influant sur les mesures rhéologiques des pâtes % ----------------------------------
2.6.2 Effet du malaxage Banfill et Kitching [BANFILL et KITCHING, 1991] ont montré que l’augmentation de la vitesse de malaxage d’un mortier dans un rhéomètre (Brabender plasticorder) accélère l’hydratation du ciment. Le taux d’accroissement du moment de cisaillement augmente, donc la valeur de la contrainte de cisaillement, ainsi que la viscosité des mortiers. En effet, l’hydratation entraîne, par la formation de semi-hydrates et de chaux, une augmentation de la teneur en solides, donc une surface spécifique accrue d’où découlent un regain d’attraction par des forces de Van der Waals, ou par liaison hydro gène. De surcroît, l’énergie apportée par le malaxage augmente sensiblement la température du mélange, ce qui a pour effet une diminution du seuil de rigidité et une augmentation de la viscosité plastique. FIG. 2§ 26. Effet déstructurant du malaxage et recomposition structurelle au repos [KHAYAT, 2002]
Il faut toutefois noter que, selon les études de Juvas [JUVAS, 1990] et Gjorv, [GJORV, 1991], le remplacement partiel du ciment par de la fumée de silice entraîne une meilleure dispersion des particules, diminuant par là même la viscosité plastique du mélange, sans grande influence, toutefois, sur le seuil de cisaillement. Cela reste vrai tant que la concentration en fumée de silice reste inférieure à une valeur seuil par rapport à la teneur en ciment du mélange. Certains ajouts ne sont cependant pas neutres vis-à-vis du superplastifiant (adsorption d’une partie de l’adjuvant) et de l’eau de gâchage (demande initiale en eau supérieure à celle du ciment). Un remplacement d’une partie trop importante du ciment peut mener à une diminution de la fluidité du mélange. 2.6.5 Effet de la composition chimique du ciment Mis à part les incompatibilités entre certains couples ciment / adjuvant, Greszczyk et Kucharska [GRESZCZYK et KUCHARSKA, 1991] ont montré que le seuil de rigidité d’une pâte de ciment varie avec sa teneur en alcalis et en C3A. Cette étude fut complétée par Suhr [SUHR, 1991] qui a montré que le seuil de cisaillement augmente proportionnellement à la teneur en C3A et diminue quand la concentration en SO3 augmente. Le premier point (i.e. l’effet de la teneur en C3A) s’explique par le fait que la rigidité du milieu est essentiellement fonction, selon Uchikawa [77], de la formation d’ettringite dans la phase interstitielle, elle-même issue de l’hydratation des aluminates tricalciques. En effet, chaque mole d’ettringite créée consomme 32 moles d’eau qui seront puisées dans la phase interstitielle, au niveau de l’eau libre, empêchant ainsi leur rôle lubrificateur. Il est à noter que la forme de l’ettringite (en aiguilles lors de cette réaction) est également un facteur influençant les propriétés rhéologiques. Quant à l’effet de la concentration en sulfate, les ions SO4 provenant de l’apport de gypse (CaSO4, 2H2O) modèrent l’hydratation du C3A, diminuant ainsi l’effet de la réactivité des aluminates. Il en découle qu’un paramètre important influant sur les paramètres rhéologiques est le rapport aluminates sur sulfate. FIG. 2§ 27. Effet de C3A et de SO3 sur le seuil [SUHR, 1991] 2.6.6 Effet de la surface spécifique du ciment Les grains de ciment provenant du broyage du clinker par procédé mécanique présentent des surfaces irrégulières et non électriquement neutres, favorisant ainsi les attractions électriques décrites précédemment, et donc influençant la rigidité du milieu. Ce phénomène est accru par la finesse du ciment. En effet, plus celui ci est broyé finement, c’est à dire plus sa surface spécifique augmente, et plus les sites d’attraction ou de répulsion sont nombreux, augmentant par là même les valeurs du seuil et de la viscosité. 2.6.7 Effet d’une augmentation de la teneur en eau L’augmentation de la teneur en eau de la pâte conduit à une augmentation de la teneur en eau libre du système, ce qui a pour effet d’éloigner les grains les uns des autres, diminuant ainsi les attractions électrostatiques (forces de Van der Waals : elles décroissent avec la distance entre particules chargées). Il en résulte une baisse du seuil de cisaillement. De plus, cet apport d’eau permettant une meilleure lubrification (du fait de l’éloignement des particules, on diminue la friction lors de l’écoulement), il en résulte une diminution de la viscosité. 2.6.8 Effet de l’ajout d’un agent de viscosité L’agent de viscosité (ou agent colloïdal) a un effet physique en adsorbant des molécules d’eau sur sa surface, d’où une diminution de l’eau libre du système, diminution d’autant plus sensible que l’agent colloïdal augmente sa surface spécifique par association de chaînes polymériques. De surcroît, l’augmentation de la longueur de ces chaînes favorise les ponts hydrogène et les attractions de type électrostatique entres chaînes voisines, donnant un comportement pseudo plastique, d’où résultent une diminution de la viscosité et une augmentation du seuil de cisaillement [72]. 2.6.9 Effet de l’air occlus L’air occlus a pour effet de diminuer les valeurs du seuil de cisaillement et de la viscosité plastique. En effet, les bulles d’air incluses dans la pâte ont un rôle mécanique de « roulement à billes », facilitant ainsi les déplacements entre les différentes couches du fluide, diminuant par là même ses propriétés résistives vis à vis de l’écoulement [KHAYAT, 2002]. Ce phénomène peut être recherché, par exemple dans le cas d’un béton pompé. La figure au desous donne les variations des valeurs rhéologiques sur des bétons en fonction de la teneur en air. Il est observé que plus cette dernière augmente et plus les valeurs de g (relatif à ƒä0) et de h (relatif à ƒÝ) diminuent. Cette baisse est importante (de l’ordre de deux tiers de la valeur initiale) quand la quantité d’air occlus passe de 0 à 5%, puis les valeurs de ces deux paramètres se stabilisent au-delà de 5% d’air occlus. A partir de ce pourcentage, l’effet « roulement à bille » est alors optimal, un accroissement des bulles d’air occlus n’améliorant plus le déplacement des couches de fluide entre elles. FIG. 2§ 28. Effet de l’air occlus sur les grandeurs rhéologiques (g et h) sur trois bétons [KHAYAT, 2002] 2.6.10 Effet de la température
Cela s’explique par un effet d’accélération de la cinétique d’hydratation, dont les conséquences sont une accélération de la formation d’ettringite, et donc une rigidification de la suspension par accroissement de la concentration en solides. De surcroît, l’enchevêtrement des hydrates formés et la forme très irrégulière de la couche superficielle hydratée des grains de ciment accroissent ce phénomène. Plus la température augmente et plus l’hydratation est rapide. Quoiqu’il en soit, à basse température (inférieures à 20°C), le taux d’hydratation reste modéré. La diminution des valeurs du seuil de cisaillement et de la viscosité plastique est essentiellement due à la baisse de la tension de surface des ménisques d’eau entre les constituants solides [76]. Ce phénomène sera accru par l’adsorption des éventuels adjuvants réducteurs d’eau sur les sites réactifs des grains de ciment [72]. Toutefois, la baisse de la capacité d’adsorption du superplastifiant avec la baisse de la température du mélange peut engendrer une augmentation de la viscosité plastique. Pour des températures élevées, le taux d’hydratation élevé entraîne une formation rapide des hydrates, d’où une augmentation de la friction entre particules engendrant une hausse des valeurs de ƒä0 et ƒÝƒn[76]. FIG. 2§ 29. Effet de la température sur l’accroissement de la viscosité plastique ƒ´ƒÝƒn(noté ici ƒ´ƒØct) sur bétons non adjuvantés [MURATA et KUKOKAWA., 1997]
FIG. 2§ 30. Effet de la température sur l’accroissement de g et h sur bétons faiblement adjuvantes [GOLASZEWKI et SZWABOWSKI, 2003] 2.6.11 Effet du temps
FIG. 2§ 31. Variation de g et h avec le temps sur bétons faiblement fluidifiés composés de différents liants à 20°C [GOLASZEWKI et SZWABOWSKI, 2003] En s’intéressant aux bétons fabriqués avec des CEM I sans ajouts (notés CEM A à C), il est observé une augmentation du seuil de cisaillement (ou du couple de rappel g) avec le temps sur la première heure, la viscosité plastique (ici traduite via la grandeur non intrinsèque h) ne semblant que peu affectée sur ce court laps de temps. Quoiqu’il en soit, l’avancement de la réaction d’hydratation engendre un accroissement de la formation d’ettringite, et donc une rigidification de la suspension par accroissement de la concentration en solides. De surcroît, l’encre vêtement des hydrates formés et la forme très irrégulière de la couche superficielle hydratée des grains de ciment accroissent ce phénomène. Il en résulte une élévation des valeurs du seuil de cisaillement et de la viscosité plastique avec l’avancement de la réaction. La présence d’adjuvants réducteurs d’eau, en inhibant certains sites réactifs (par adsorption sur les grains de liant), ne fait que diminuer le taux de formation d’hydrates. Il en résulte un effet retard. Même si les réactions chimiques sont ralenties, la formation continue d’hydrates engendre une augmentation des valeurs des grandeurs rhéologiques avec le temps. 3. Les bétons auto plaçants : 3.1 Principes de formulation La distribution optimisée ne doit pas conduire uniquement à une forte compacité. Il est essentiel de concevoir des mélanges granulaires qui soient moins propices à la ségrégation, en d’autres termes qui soient stables. En effet, entre le malaxage et la mise en place du béton, les mélanges granulaires sont soumis à des accélérations par la gravité, les chocs externes et/ou la vibration, qui sont susceptibles de provoquer certaines séparations au sein du mélange. Une ségrégation importante dans le béton crée des variations spatiales des propriétés qui se traduisent au niveau visuel, des résistances, du module d’élasticité et du retrait. Ce dernier peut provoquer à son tour des fissures qui affaiblissent la durabilité de la structure. Quelques constats expérimentaux vis-à-vis de la ségrégation : ÀƒƒnƒnƒnPour tout mélange granulaire, le serrage réduit le risque d’une ségrégation ultérieure. ÀƒƒnƒnƒnDans des mélanges optimisés ayant le même indice de serrage et la même étendue granulaire, le mélange de granularité continue ségrégera moins facilement que celui de granularité discontinue. Dans un empilement binaire, il existe un diamètre critique de particule en deçà duquel les grains fins peuvent circuler dans la porosité des gros grains ; il est de l’ordre de (D/6)6. Alors, si tous les matériaux fins sont plus fins que cette taille critique, la séparation du mélange sera facilitée. 3.2 Formulation des bétons autoplaçants Réaliser un béton autoplaçant est une opération complexe qui nécessite de trouver une bonne combinaison de matériaux compatibles, et le dosage convenable de chacun de ces constituants afin d’obtenir une formulation répondant aux propriétés des BAP. Il existe une très grande variété de matériaux dans le monde, et il est clair que les matériaux utilisés ont des influences variées sur l’écoulement du béton. Ceci implique qu’il est impossible de réaliser une formulation universelle de béton auto plaçant ; chaque chantier utilisant ses propres matériaux (matériaux locaux) doit mettre au point sa propre formulation. La variété de matériaux peut conduire aussi à des comportements différents à tous les niveaux (ouvrabilité, rhéologie, résistance). Plusieurs approches de formulation des BAP ont été élaborées à travers le monde (approche japonaise, approche suédoise, etc.) pour répondre aux exigences d’ouvrabilité de ce type de béton. En France, actuellement il existe trois types d’approches : approche du LCPC, approche de l’INSA de Lyon, approche de Jean-Marie Geoffray (CETE de Lyon). Deux grandes familles prévalent actuellement : Àƒƒn La première [54,55] concerne des formulations fortement dosées en ciment et contenant une proportion d’eau réduite. La quantité de ciment très importante (450 à 600 kg/m3) est nécessaire pour augmenter le volume de pâte afin d’améliorer la déformabilité du mortier. Ce volume important de pâte limite par conséquent les interactions inter-granulats (dont la quantité est parallèlement diminuée) et l’utilisation d’adjuvants tels que les superplastifiants et les agents de viscosité qui permettent d’en contrôler la fluidité et la viscosité. Cette approche de formulation conduit toutefois à des bétons de hautes performances mécaniques, onéreuses et mal adaptés à des ouvrages courants. Àƒƒnƒn Une deuxième famille de formulations repose sur le remplacement d’une partie du ciment par des fines minérales [56]. Ces additions, comme les fillers calcaires par exemple, permettent d’obtenir un squelette granulaire plus compact et plus homogène. La quantité d’adjuvant nécessaire à l’obtention d’une fluidité et d’une viscosité données est alors diminuée. Leur utilisation conduit également à conserver des résistances mécaniques et des chaleurs d’hydratation raisonnables. Des études ont aussi montré l'importance des gros granulats, entre autres les granulats roulés, sur la fluidité des bétons autonivelants. Yurugi et al. [57] considèrent que le volume des gros granulats (supérieurs à 5mm) est l'un des facteurs le plus important à prendre en compte. En effet, ils ont constaté que plus la teneur en gros granulats augmente, plus la capacité de remplissage diminue. 3.2.1 Particularités de la composition des bétons auto-plaçants ÀƒƒnUn volume de pâte élevé Les frottements entre granulats limitent l’étalement et l’aptitude au remplissage du béton. C’est pourquoi, les BAP contiennent un volume de pâte (ciment + additions fines + eau efficace + air) important, typiquement de 330 à 400 l/m3, dont le rôle est d’écarter les granulats les uns des autres. Comme ces bétons renferment un volume élevé de pâte, leurs déformations sont plus importantes que pour des bétons ordinaires de même résistance mais de rhéologie conventionnelle (slump compris entre 15 et 25cm). ÀƒƒnUne quantité de fines (<80ým) élevée Nous l’avons déjà souligné pour les BHP, de même ici l'addition de matières inorganiques minérales, naturelles ou artificielles améliore les propriétés rhéologiques. Ces fines particules sont, d'une part moins réactives à court terme que le ciment, ce qui permet d'avoir un temps prolongé d'ouvrabilité et des résistances modérées au jeune âge. La combinaison de plusieurs matériaux cimentaires ayant des granularités différentes permet également d'améliorer la distribution granulaire du mélange, favorisant une meilleure stabilité et déformabilité du béton à l'état frais ainsi que le pouvoir de rétention d’eau en fonction de leur granulométrie (de par des surfaces spécifiques élevées) d’autre part. Ainsi, pour leur assurer une maniabilité suffisante tout en limitant les risques de ségrégation et de ressuage, les bétons autoplaçants se distinguent des bétons ordinaires par la présence, d'une part, de fortes teneurs en additions minérales et d'autre part, d'agents colloïdaux. Les formules actuellement réalisées au Japon et au Canada se caractérisent par un fort dosage en liant (supérieurs à 500 kg/m3). De plus, Miura et Khayat [58,59] ont montré l'intérêt d'utiliser de fortes teneurs en additions minérales afin d'obtenir à la fois une grande fluidité et une bonne stabilité du béton. Le rapport E/(C+f), facteur principal dans la qualité d’un béton autoplaçant est voisin de 0,35 (E est la teneur en eau efficace ; C, le dosage en ciment et f, la quantité de fines additions minérales). Ainsi, pour diminuer le coût du ciment et éviter les problèmes d’élévation de température excessive lors de l’hydratation, le liant est souvent un composé binaire voir ternaire : remplacement d’une partie du ciment par de la cendre volante, des laitiers de haut fourneau finement broyés, du filler calcaire, etc. Le choix des additions et de leur teneur est réalisé en fonction des exigences de résistance à la compression à 28 jours et des exigences de durabilité telles qu’imposées par les normes applicables (DTU21, norme XP P 18-305, etc.). ÀƒƒnL’utilisation des superplastifiants Les « superplastifiants » ou plastifiants « réducteurs d’eau » fournissent une grande fluidité (étalement au cône d’Abrams de 60 à 80cm) et un long maintien de la rhéologie (effet retardateur) sans ajout excessif d’eau. Toutefois, le dosage en superplastifiant est limité pour obtenir une résistance minimale de 4 MPa à 16 heures. De plus, un dosage proche ou supérieur au dosage de saturation peut augmenter la sensibilité du béton à une légère variation du dosage en eau vis-à-vis du problème de la ségrégation et du ressuage [AFGC, 2000]. ÀƒƒnL’utilisation éventuelle d’un rétenteur d’eau (dit « agent de viscosité ») Une nouvelle famille d’adjuvants appelés « rétenteurs d’eau », « agents colloïdaux » ou « agents viscosants » entre également dans la formulation pour limiter la séparation des phases, c’est-à-dire empêcher le ressuage et limiter les risques de ségrégation des granulats. Les agents viscosants sont généralement des dérivés cellulosiques (gomme Welan, produit Rhône-Poulenc RP960 SL,¡K), des polysaccharides ou des suspensions colloïdales tels que l’amidon. Ce sont des polymères solubles dans l'eau qui forment des solutions visqueuses par adsorption périphérique des molécules d'eau. FIG. 2§ 32: Interaction entre l’eau et les polysaccharides (d’après [Hasni 1999]) L’agent viscosant n’est pas entré dans les réglementations et les recommandations. Bien que l'agent colloïdal augmente de façon importante la résistance du béton à la ségrégation et au ressuage, ainsi que la robustesse vis-à-vis des variations d’eau, il accroît toutefois la demande en eau du mélange, d'où la nécessité de l'utiliser en présence d'un superplastifiant. Son usage peut conduire à une perte de fluidité et nécessite un dosage plus important en superplastifiant pour une bonne dispersion du mélange. Leur utilisation peut aussi mener à des problèmes d’entraînements d’air excessifs. Dans le cas des bétons autonivelants à viscosité très faible ayant à la fois une grande fluidité et une bonne stabilité (sans ségrégation, faible ressuage, etc.), il apparaît difficile aujourd'hui de ne pas utiliser un agent colloïdal. Leur incorporation augmente de façon significative leur stabilité. A titre d’exemple, Khayat et al. [59] ont développé des formulations de bétons autonivelants qui ne présentaient aucun ressuage en utilisant 5 L/m3 de superplastifiant et 0,05% d'agent colloïdal. Ils ont également découvert que le tassement diminue avec l'augmentation de la teneur en agent colloïdal. L’utilisation de ces stabilisateurs de suspension est nécessaire pour des bétons ayant des rapports eau/liant élevés car les fines ne sont pas toujours suffisantes pour fixer l’eau dans le béton. Ils semblent inutiles pour les rapports eau/liant plus faibles correspondant à des résistances supérieures à 50 MPa donc pour certains bétons auto-plaçants. Lorsqu’aucun agent de viscosité n’est employé dans les bétons autonivelants, il faut environ 600kg/m3 de fines (ciment + cendres ou filler calcaire) pour assurer une bonne rétention d’eau. La présence de fibres métalliques ne nuit pas à l’autonivellement.
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