These de doctorant

Chapitre I : Les bétons Auto-plaçants (BAP)

Dans ce premième chapitre, je vais présenter quel que mot sur le béton autoplaçant. Il s'agit des informations concernant sur la rhéologie des bétons fluides et des pâtes de ciment du béton autoplaçant. Une synthèse bibliographique donnant l'état d'avancement des travaux et les connaissances déjà acquises sur ce matériau…
1. Chapitre I : Les bétons Auto-plaçants (BAP) Error: Reference source not found

1. Introduction Error: Reference source not found

2. Les bétons auto-plaçants : Error: Reference source not found

2.1 Principes de formulation Error: Reference source not found

2.2 Formulation des bétons autoplaçants Error: Reference source not found

2.3 Propriétés rhéologiques des bétons autoplaçants Error: Reference source not found

2.4 Propriétés mécaniques et durabilité Error: Reference source not found

3. Les adjuvants organiques et minéraux Error: Reference source not found

3.1 Les adjuvants organiques Error: Reference source not found

3.2 Les ajouts minéraux (ou fillers) Error: Reference source not found

4. La structure des suspension de ciment Error: Reference source not found

4.1 Microstructure de la pâte de ciment Error: Reference source not found

4.2 Bilans des forces des suspensions: Error: Reference source not found

4.3 Modèle du grain unique Error: Reference source not found

4.4 Les interactions entre deux grains dans l'eau Error: Reference source not found

4.5 La structure des pâtes de ciments Error: Reference source not found

4.6 Les paramètres influant sur les mesures rhéologiques des pâtes Error: Reference source not found

5. Matériaux et formulation Error: Reference source not found

5.1 Matériaux utilisés Error: Reference source not found

5.2 Formulation du BAP Error: Reference source not found

5.3 Formulation des pâtes Error: Reference source not found

5.4 Procédure Error: Reference source not found

6. Conclusion du chapitre Error: Reference source not found

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1. Introduction

Les bétons auto-plaçants (B.A.P) sont des bétons très fluides, homogènes et stables, mis en œuvre sans vibration. D'autres expressions sont aussi utilisée : béton autocompactable, béton très fluide ou des expressions anglo-saxonnes : self compacting concrete, self levelling concrete, high fluidity concrete.

Son développement a commencé au Japon à la fin des années 1980 pour des raisons économiques (réduction de la main d’oeuvre, rapidité de mise en place) et s’est progressivement répandu dans le reste du monde. En effet, la qualité de matériau autoplaçant confère au béton plusieurs avantages techniques et socio-économiques par rapport au béton ordinaire [1] :

Avantages techniques :

1. 
   ��Facilité et rapidité dans la mise en oeuvre du béton (coulage en un seul point, augmentation du débit de béton pompé).
   
2. 
   ��Bétonnage en milieux fortement ferraillés.
   
3. 
   ��Amélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciers.
   
4. 
   ��Réalisation d’éléments de forme plus complexe.
   

Avantages socio-économiques :

1. 
   ��Réduction du coût de la main d’oeuvre.
   
2. 
   ��Absence de systèmes de vibration (intérieurs ou extérieurs) réduisant ainsi les coûts et les nuisances sonores dans et au voisinage du chantier.
   
3. 
   ��Réduction du temps de bétonnage et des besoins de ragréage.
   

Toutefois, certains points restent à surveiller dans l’utilisation du béton autoplaçant :

1. 
   ��Augmentation du coût des matières premières, par la présence des nouveaux adjuvants, et des différentes additions minérales.
   
2. 
   ��Compatibilité des matériaux.
   
3. 
   ��Etanchéité des coffrages.
   

Certains font les distinctions entre le béton auto-plaçant qui est employé pour un coulage vertical et le béton auto-nivelant qui correspond à une mise en œuvre horizontale.

Le béton est constitué de composants de caractéristiques morphologiques, mécanique et physico-chimiques très différentes : ciment, granulats, eau, air, et éventuellement adjuvants ou ajouts.
Chacun de ces éléments joue un rôle différent dans le comportement du béton frais, pendant la pris et le durcissement; même à l'état frais, les interaction des différentes phases sont nombreuses et l'étude du comportement rhéologique de l'ensemble devient particulièrement difficile si on désire la conduire en analysant l'influence de tous les éléments.
Une première simplification consiste à considérer le béton frais comme un matériau à deux phases : une phase visqueuse constituée par la pâte de ciment et une phase granulaire composée par l'ensemble des granulats. Des travaux ont déjà été fait dans ce domaine, qui montrent que cette schématisation peut constituer une approche intéressante de la réalité dans la mesure où la teneur en eau de la pâte est calculée en tenant compte de l'eau gâchage retenue par les granulats.
A travers ces études, il apparaît que la pâte joue un rôle fondamental et qu'il serait vain de vouloir comprendre le comportement rhéologique du béton frais sans connaître celui de la pâte qui le compose. C'est grâce à cette connaissance que pourront s'expliquer les aptitudes du béton frais au malaxage, au transport sans ségrégation, à la mise en place, au serrage, etc.
Dans le premier chapitre de bibliographie, on va aborder des connaissances récentes sur le béton auto plaçant au point de vue de règles de formulation, des propriétés rhéologiques, des propriétés mécaniques et des caractéristiques de durabilité. L’accent a donc été mis sur la rhéologie avec ses principes théoriques et l’explication des paramètres mis en jeu tels que la viscosité et le seul de cisaillement quant à l’élaboration d’un béton dont on souhaite modifier la rhéologie. Ensuite, une bibliographie plus concise regroupe les études déjà effectuées sur l’effet des constituants secondaires du béton tels que les superplastifiants et les fillers minéraux qu’on ajoute pour acquérir une ouvrabilité appréciable ainsi que les agents viscosants quant à leur rôle dans la diminution du ressuage et de la ségrégation. Après, on va étudier la structure de la pâte de ciment en passant la micro structure de la pâte, les interactions entre les grains et les paramètres influencent sur la rhéologie de la pâte. Enfin, on parle sur les formulations et les matériaux utilisés au sein de cette thèse.

2. Les bétons auto-plaçants :

2.1 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 :

��Pour tout mélange granulaire, le serrage réduit le risque d’une ségrégation ultérieure.
��Dans 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.

2.2 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 :
��La première [28,29] 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.
��Une deuxième famille de formulations repose sur le remplacement d’une partie du ciment par des fines minérales [30]. 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. [31] 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.

2.2.1 Particularités de la composition des bétons auto-plaçants

��Un 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).

��Une quantité de fines (<80ım) 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 [32,33] 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.).

��L’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].

��L’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,…), 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. 1 1: 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. [33] 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.

Lorsque 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.
��Un faible volume de gravillon
Comme les gravillons sont à l’origine des blocages, il faut en limiter le volume. D’un autre côté, la présence de gravillons permet d’augmenter la compacité du squelette granulaire du béton et donc de limiter la quantité de liant nécessaire pour obtenir l’ouvrabilité et la résistance souhaitées. En général, le diamètre maximal Dmax des gravillons est compris entre 10 et 20mm. Les risques de blocage augmentent lorsque Dmax augmente, ce qui conduit à diminuer le volume de gravillon.

Il est possible de produire et de stabiliser suffisamment d’air dans ces bétons avec un agent entraîneur d’air classique, pour les protéger efficacement du gel-dégel. Or, l’entraînement et la stabilisation de l’air semblent plus difficiles voire impossibles lorsque le béton est très fluide dans le malaxeur ; donc l’introduction de l’agent entraîneur d’air doit se faire avant la fluidification complète du béton, c’est-à-dire avant l’ajout de la totalité du superplastifiant.

2.2.2 Approche de Jean-Marie Geoffray

Il existe quelques principes de formulation de bétons autoplaçants établis par Jean-Marie Geoffray. Pour de plus amples informations se référer au fascicule de Jean Marie Geoffray «une manière de formuler le béton auto-plaçant» du Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement (CETE) de Lyon.

2.2.3 Approche de l’INSA de Lyon

D’autres méthodes de formulation existent, celles de Jean Ambroise et Pera. Ils distinguent deux types de bétons : les BAN et les BAP:

Obtention d’un BAN : ce sont des bétons très fluides. Pour maintenir le squelette en suspension, il faut soit augmenter le dosage en fines (ce qui présente tout de même du ressuage), soit ajouter un agent de rhéologie (ou agent viscosant). Puis optimiser le squelette granulaire de façon à avoir 0,5  G/S . La quantité d’eau est entre 200 et 210L. La résistance mécanique d’un BAN ne peut excéder 40MPa puisque la quantité d’eau est très élevée.

Obtention d’un BAP : ce sont des bétons qui sont plus visqueux. Les quantités de constituants pour obtenir une résistance mécanique de 40MPa sont les suivantes :

Sable 0/5	1000kg
Gravier 5/15	800kg
Superplastifiant	A régler
Agent viscosant	2,5kg
Eau	180L
Fines (ciment + fillers)	400kg jusqu’à 430kg

Tab. 1 1 : Type de formulation selon l’approche de l’INSA de Lyon, pour un BAP de résistance en compression de 40MPa et incluant un agent viscosant.
Pour obtenir de plus grandes résistances tels que 60MPa, il faut augmenter la quantité de fines, avoir un rapport G/S entre 0,8 et 0,9 et ajouter un peu d’agent de rhéologie dans la plupart des cas pour améliorer la robustesse.

La composition devient alors pour Rc=60MPa :

G/S	0,8 – 0,9
Agent viscosant	500g
Eau	180L
Fines (ciment + fillers)	450kg

Tab. 1 2: Caractéristiques nécessaires à l’obtention d’un BAP de résistance en compression de 60MPa.
Dans leur approche, la correction du ressuage et l’amélioration de la robustesse de la formulation face aux conditions de fabrication sur chantier ne peuvent se faire par ajout de fines uniquement mais par ajout d’un agent de rhéologie.

2.2.4 Approche japonaise

La formulation japonaise a été développée à l’Université de Tokyo par Okamura, Ozawa et al. [1,34]. Elle consiste d’abord à fixer le dosage de gravier dans le béton et celui du sable dans le mortier, ensuite à procéder à l’optimisation de la pâte de ciment afin de donner au béton les meilleures performances.

Le volume du gravier est fixé à 50% du volume des solides contenus dans le béton ce qui permet d’éviter les risques de blocage. Pour assurer une bonne ouvrabilité, le volume du sable est fixé dans le mortier à 40% du volume total de mortier. Ensuite, le dosage des constituants de la pâte de ciment optimisé afin de satisfaire les critères d’ouvrabilité de l’essai d’étalement au cône et de l’essai d’écoulement à l’entonnoir sur le mortier.
L’approche japonaise n’est pas adaptée à la formulation des bétons avec des agents de viscosité. Pourtant, elle conduit à la formulation de bétons très visqueux [35]. De ce fait, plusieurs modifications et différents développements ont été apportés à cette méthode. En effet, Edamatsu et al [36] ont réussi grâce à l’utilisation d’additions minérales (fillers calcaire, cendres volantes, laitiers de hauts fourneaux), à augmenter le dosage de sable dans le mortier et donc à réduire le volume de pâte, et particulièrement du ciment, dans le béton. Pelova [37] ont trouvé qu’il est possible d’augmenter le volume de gravier dans le béton à la hauteur de 60% du volume solide total, et d’obtenir un béton autoplaçant.

2.2.5 Approche suédoise (CBI)

Cette méthode développée par CBI (Cement och Betong Institutet) se caractérise par la prise en compte de ferraillages importants. Le principe de cette méthode s’appuie sur des tests effectués par Ozawa [38] sur des mélanges de pâte de ciment et de granulats de différentes tailles, passant à travers différents espacements d’armatures.

Pour chaque taille de granulats, il existe une teneur volumique critique de granulats en deçà de laquelle le risque de blocage est nul et au dessus de laquelle le blocage est systématique. Cette teneur volumique critique est fonction de l’espacement entre les armatures (par rapport à la taille des granulats) et de la forme des granulats (roulés ou concassés). Cette méthode suppose que le phénomène de blocage est indépendant de la nature de la pâte, pourvu que celle-ci soit suffisamment fluide. Ainsi, la méthode CBI fournit une relation qui détermine le risque de blocage Rb :

Vi, est la proportion volumique des granulats de taille i, par rapport au volume total du béton.

Vcrit,i est la teneur volumique critique de cette fraction granulaire de taille i.

Le coefficient du risque de blocage doit être inférieur ou égal à 1 pour obtenir un béton satisfaisant. En utilisant cette approche, la relation est réécrite [39] comme :

Avec yi, la proportion volumique de granulats de taille i rapportée au volume total des granulats et Vp le volume de la pâte dans un volume unité de béton.

A partir de cette relation, on peut déduire, pour chaque rapport gravier sur sable (G/S), le volume minimal de pâte pour éviter le risque de blocage, en écrivant Rb = 1.

Le rapport E/C de la pâte et le type du ciment sont choisis en fonction de la gamme de résistance visée. Le dosage du superplastifiant est optimisé pour un écoulement autoplaçant caractérisé essentiellement par le cône d’Abrams et la boite en L. Les principales modifications et extensions de la méthode CBI sont apportées par Bui et al. [40], qui a proposé un critère supplémentaire pour obtenir un béton autoplaçant. Il s’agit d’ajouter un volume de pâte pour assurer un espacement minimal suffisant entre les granulats afin de réduire les frictions et les frottements entre les granulats. Sa méthode consiste à calculer l’épaisseur moyenne de pâte autour des granulats du béton autoplaçant, grâce à une base de données importante de formulations de bétons. L’espacement moyen entre les particules varie selon les auteurs entre 0,3 et 1mm.

2.2.6 Approche LCPC

L’approche développée en France au LCPC par De Larrard et Sedran est basée sur le modèle d’empilement compressible [41,42] qui passe par l’optimisation de la porosité du système formé par les grains solides.

D’après les auteurs, un arrangement optimal du squelette granulaire permet d’obtenir une meilleure résistance et une plus grande ouvrabilité.

Cette approche est la synthèse de quinze années de recherche et fait l’objet d’un logiciel BétonlabPro qui prend en compte tous les paramètres de calcul de cette démarche pour différents types de béton (bétons ordinaires, bétons à hautes performances, bétons autoplaçants, etc.).

Pour un béton autoplaçant, les grandeurs exigées à l’état frais sont un étalement au cône d’Abrams supérieur à 60cm, un seuil de cisaillement inférieur à 500Pa, et une viscosité plastique comprise entre 100 et 200 Pa.s (grandeurs rhéologiques mesurées au BTRhéom). Ces critères correspondent selon les auteurs à un béton assez fluide et qui ne présente pas de ségrégation.

2.2.7 Quelques formulations types

La composition recommandée pour un BAP en France [AFGC 2000] contenant des fines est la suivante :

Constituant :	Quantité pour 1m3 :
Eau	180 litres
Ciment	350 kg
Fines	200 kg
Sable	800 kg
Gravillons	900 kg (Dmax limité à 16mm en général)
Adjuvant	6% du poids du ciment

Tab. 1 3: Formulation d'un BAP contenant des fines.
Un autre exemple de formulation incluant un agent viscosant comme l’amidon est donné ci après:

Constituant :	Quantité pour 1m3 :
Eau	200 litres
Ciment CEMI 52,5	300 kg
Fillers calcaires	100 kg
Sable 0/5 mm	900 kg
Gravillons 5/16 mm	800 kg
Adjuvants	3,5 kg
Amidon	2 kg

Tab. 1 4: Formulation d'un BAP contenant un agent viscosant.
Il existe une très grande variété de matériaux locaux utilisés sur chantier ce qui peut conduire à des comportements différents à tous les niveaux (ouvrabilité, rhéologie, résistance). Il est donc impossible de réaliser une formulation universelle de béton autoplaçant.


Tab. 1 5: Exemple de formulation japonaise.


Tab. 1 6: Exemple de formulation canadienne.
Avec AV : agent de viscosité, EA : entraîneur d’air, SP : superplastifiant

Nous retenons des tableaux, ci-dessus, que toutes les formulations utilisent superplastifiant, alors que l’agent de viscosité peut ne pas être incorporé.

2.3 Propriétés rhéologiques des bétons autoplaçants

La difficulté de fabriquer de tels bétons est que l'on cherche à obtenir, d'une part, une grande fluidité et d'autre part, une grande stabilité du béton à l'état frais afin de limiter la ségrégation, la sédimentation et le ressuage. Un BAP doit tout d’abord s’écouler sous son poids propre, et avec un débit suffisant. Ceci se traduit par un étalement et une vitesse d’étalement importants.

2.3.1 La relation entre la granulométrie et la demande en eau

La granulométrie a une influence prédominante sur la demande en eau du ciment. Plus la distribution granulométrique est "serrée", avec peu de particules de petites et grosses dimensions, plus la demande en eau sera élevée. En effet, le ciment comporte une grande proportion de vides que l'eau devra remplir avant de participer à la maniabilité de la pâte cimentaire. Donc, pour diminuer la demande en eau du ciment, il faut augmenter les proportions en petites et grosses particules afin de diminuer les vides intergranulaires. D’autre part, le contrôle de la teneur en eau dans le mélange doit être stricte, par conséquent il est important de contrôler la quantité d’eau apportée par des granulats humides ou alors la quantité d’eau adsorbée sur la surface des granulats plutôt secs.

2.3.2 Granulométrie et développement des résistances

Avec l'augmentation de la demande en eau, la granulométrie a aussi un effet sur le développement des résistances du ciment.

Avec une granulométrie "serrée" (n élevé), on peut obtenir des résistances élevées sans pour autant augmenter la surface spécifique du ciment.
Dans ce cas, la demande en eau augmente considérablement.
Dans les bétons, la résistance à la compression est mesurée pour un affaissement donné, la demande en eau élevée a donc tendance à diminuer sa résistance.
Ce problème peut être évité par l'ajout de fillers qui vont remplir les vides intergranulaires et diminuer la demande en eau.
Le mélange étant riche en éléments fins, il lui faut un temps de malaxage plus long que celui d’un béton classique, pour l’homogénéiser.

2.3.3 La stabilité

Il existe cinq facteurs qui influencent la stabilité du béton autoplaçant vis-à-vis de la ségrégation.

La dilatance ou augmentation de volume causée par un cisaillement peut modifier la stabilité, en particuliers si le volume de matrice est faible et le volume de granulats élevé.
Le ressuage, surtout celui des slurries peut avoir une influence significative sur la ségrégation lorsqu’elle est causée par une surdose d’adjuvants fluidifiants.
Pour éviter la ségrégation, il faut que le béton présente :
un haut seuil de cisaillement, qui contrecarre les forces de sédimentation ;
une viscosité élevée, qui réduise le taux de sédimentation ;
une bonne thixotropie, qui peut stopper la sédimentation ;
un effet d’échelle par un mélange stable de petites et moyennes tailles de particules qui bloquent la chute des gros gravillons.
une phase liquide épaisse et/ou contenant des slurries, qui migrerait difficilement dans les zones cisaillées, d’autant plus que la matrice est visqueuse.

Pour obtenir une bonne stabilité, il est important que la matrice (pâte + fines) soit aussi visqueuse que possible, et en même temps que l’ensemble du matériau béton ait une viscosité aussi faible que possible. Ce qui est assez contradictoire.

2.3.4 La résistance à la ségrégation

Un BAP doit également pouvoir s’écouler, sans apport de vibration, au travers de zones confinées (dans un coffrage très ferraillé, au droit d’un diaphragme…) et une grande fluidité du béton n’est pas une condition suffisante pour cela. En effet, lors de l’écoulement d’un béton fluide au droit d’un obstacle, les gravillons cisaillent le mortier et ont tendance à venir en contact les uns avec les autres si ce dernier n’est pas assez résistant au cisaillement. Des voûtes peuvent ainsi se former par contacts solides, se colmater avec des parties fines, et interrompre l’écoulement. Il faut donc qu’un BAP présente une bonne résistance à la ségrégation en phase d’écoulement dans une zone confinée.

FIG. 1 2: Phénomène de blocage des granulats au droit d’un obstacle.
Il doit également avoir une bonne résistance à la ségrégation statique (une fois mis en place) jusqu’à sa prise, pour des raisons évidentes d’homogénéité de ses propriétés mécaniques. De façon corollaire, il ne doit pas subir un tassement ou un ressuage trop fort car ceci peut générer une chute d’adhérence des armatures en partie supérieure des levées par rapport à celles situées en zone inférieure lors du coulage, ainsi que l’apparition de fissures.

En conclusion, la principale difficulté auquel est confronté le formulateur de BAP est de pouvoir concilier des propriétés à priori contradictoires : la fluidité et la résistance à la ségrégation et au ressuage du béton.

Les propriétés de fluidité et de non-ségrégation dépendent des matières premières utilisées et des formulations : il s’agit de réaliser une suspension fluide suffisamment dense pour éviter la ségrégation des plus gros grains. La grande fluidité est assurée par l’utilisation d’un fort dosage de superplastifiant ; cependant un excès de superplastifiant entraîne de la ségrégation.

Celle-ci peut être contrôlée par l’addition d’un agent de viscosité ou d’un important volume de fines; toutefois une grande résistance à la ségrégation peut induire une perte de fluidité.

On définit souvent un terme de robustesse pour palier aux éventuels écarts dans la formulation du béton qui a souvent lieu sur chantier. La robustesse de la formulation recherchée consiste à ce que la composition du béton puisse accepter une variation significative de ±5% du dosage en eau sans que cela n’entraîne ressuage ni ségrégation.

Dans une pâte granulaire, suspension concentrée de particules immergées dans un fluide visqueux, la fraction volumique solide dans la suspension est fixée par le compromis entre les phénomènes de sédimentation et de dilatance sous cisaillement.

2.4 Propriétés mécaniques et durabilité

2.4.1 Propriétés mécaniques

Les bétons autoplaçants ont une compacité élevée et une perméabilité très faible permettant une amélioration de la durée de vie des coffrages et un meilleur enrobage des aciers. Ils confèrent d’autre part, une large gamme de résistances caractéristiques variant entre B25 et B80 [AFGC, 2000].

Il existe aussi des Bétons Fibrés à Ultra Hautes Performances tels que le Ductal® conçu en premier par Pierre Richard (produit breveté par Lafarge en collaboration avec Bouygues et Rhodia) ou Agilia Lafarge, et le BSI®/Ceracem (produit de Sika et Eiffage) qui atteignent environ 200MPa grâce à leur formulation et à l’ajout de fibres métalliques (l=13mm, =0,2mm pour le Ductal, et l=20mm, =0,3mm pour le Ceracem) qui augmentent la ductilité du matériau. Ce sont aussi des bétons autoplaçants dont le facteur important est l’utilisation d’un superplastifiant 3ème génération.

Il est à noter que dans la formulation de ces deux produits performants soit il n’y a pas de gravillons (que du sable fin dans le Ductal®) soit que leur taille est très faible (7mm pour le

Ceracem®). Faut-il alors pour les propriétés d’auto-plaçance et pour la durabilité diminuer la taille du granulat maximal et/ou diminuer la quantité de granulats ? En effet, les gravillons ont tendance à induire de la porosité sur la surface des grains ce qui diminue la cohésion au niveau de l’ITZ.


FIG. 1 3: Formulations d’un BSI®/CERACEM (à gauche) et du Ductal® (à droite).

2.4.2 Durabilité

Les bétons autonivelants présentent de façon générale, de bonnes propriétés mécaniques et surtout une bonne durabilité. Leurs faibles rapports eau/liant (0,35 à 0,4) confèrent généralement une bonne résistance aux cycles de gel-dégel et un retrait de dessiccation relativement faible.

2.4.2.1 Retrait endogène

Malgré une seule source en désaccord, plusieurs travaux montrent que les différences entre le retrait endogène des BAP et celui des bétons vibrés n’est pas significatives [43]. Ils sont plutôt comparables, à même résistance mécanique. Les quantités de granulats plus importantes dans les bétons vibrés ne semblent donc pas limiter davantage les déformations libres de ces bétons que celles des BAP.

2.4.2.2 Fluage spécifique

A résistance mécanique similaire, les déformations des BAP se révèlent légèrement plus importantes que celles des bétons vibrés. Les phénomènes de dessiccation (interne ou vers l’extérieur) et ceux du chargement entraîneraient le glissement de la structure en feuillet des C-S-H.