These de doctorant

THESE DE DOCTORANT

Présentée à

L’ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHAN

Spécialité :

MECANIQUE – GENIE MECANIQUE – GENIL CIVIL

Par

M. PHAN Trung Hieu

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEUR DE CACHAN

Sujet de la Thèse :

Bétons Fluides

La rhéologie et la stabilité des pâtes.

Soutenance prévue le 28/11/06 devant le jury composé de :

Monsieur Jean-Pierre OLIVIER, Président

Monsieur Guillaume RACINEUX, Rapporteur

Monsieur Cohen TENOUDJI, Rapporteur

Monsieur Jean AMBROISE, Examinateur

Monsieur Mohend CHAOUCHE, Directeur de Thèse

Madame Micheline MORANVILLE, Directeur de Thèse

Laboratoire Génie Civil

Laboratoire de Mécanique et de Technologie

E.N.S. de Cachan / C.N.R.S. / Université Paris VI

61, avenue du président Wilson – 94235 Cachan Cedex (France)

Remerciements

Je tiens à remercier tout particulièrement à M. Mohend CHAOUCHE pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long de ma thèse ainsi que pour le temps qu’il m’a consacré.

Je tiens à remercier toute l’équipe du LMT pour l’accueil qu’elle m’a réservé et l’ambiance dans laquelle ce travail a été réalisé.
Je remercie Monsieur M. Gérard BERNIER qui m’a donné des conseils précieux pendant ma thèse.
Je ne saurais oublier mes collègues du secteur Génie Civil & Environnement qui ont su créer un agréable climat de travail.
Enfin, j’exprime toute ma gratitude à Pr. Micheline MORANVILLE pour m’avoir accepté au sein de secteur Génie Civil & Environnement.
Table des matières
Table des figures
PRÉAMBULE
Depuis sa création dans les années 1980, le béton auto plaçant s’est développé et s’affirme désormais comme une technique porteuse qui remplacera à terme la technique classique des béton vibrés dans nombre d’applications.

C'est un béton fluide, homogène et stable, mis en œuvre sans vibration (la compaction d'un BAP s'effectue par le seul effet gravitaire) et conférant à la structure une qualité au moins équivalente à celle correspondant aux bétons classiques mis en œuvre par vibration. Ces bétons ont été développés d'abord au Japon, puis au Canada et en Europe dans le cadre du Projet Brite-Euram. Les applications visées sont essentiellement celles des ouvrages de Génie Civil. Les bétons proposés sont très visqueux et très sensibles à une légère variation du dosage en eau. Par ailleurs, le surcoût d’un tel béton par rapport au béton traditionnel est difficilement supportable par les entreprises .Parallèlement à ces travaux, des bétons autonivelants (BAN), moins visqueux, plus robustes, ont été développé. Ces derniers sont principalement destinés au coulage d’éléments horizontaux de bâtiment : dalles de compression, dallages industriels, chapes flottantes.

Les BAP et BAN, doivent être en même temps fluides et stables : nécessité de résistance à la ségrégation et au ressuage afin de consolider le mélange tout en assurant une suspension homogène pendant l’étalement, jusqu’au durcissement. Il n’y a pas de méthodologie pratique de formulation qui soit bien établie, afin de fabriquer des bétons fluides, à partir des données de base sur les matériaux locaux et un cahier des charges précis.

En tenant compte du paragraphe précédent, il nous semble pertinent de regrouper les bétons auto plaçant (BAP) et autonivelants (BAN) dans une même catégorie les «Bétons fluides», afin d'élargir la problématique des études et ainsi de rechercher des solutions générales grâce à une approche globale.

Cette proposition de recherche s’inscrit dans la suite de la ligne F du projet National « Bétons Autoplaçants » qui est une opération du Réseau Génie Civil et Urbain (RGC&U).

Le but de ma thèse est donc de concilier les propriétés rhéologiques des BAN avec les propriétés rhéologiques des BAP à l'état frais. En effet, les BAP sont très visqueux et très sensibles à une légère variation du dosage en eau, tandis que les BAN sont moins visqueux, plus robustes vis-à-vis la variation du dosage en eau. Alors, la conciliation ces deux aspects conduit à des formulations complexes et pointues mettant en jeu un ensemble de constituants minéraux et organiques (viscosants et superplastifiants). La robustesse des formulations des BAP est l’un des points majeurs qu’il est nécessaire de maîtriser avant de considérer un emploi industriel de ces bétons.

Pour cela, nous nous sommes intéressés au comportement rhéologique, en particulier aux propriétés de thixotropie (évolution des propriétés rhéologiques en fonction du temps). L’avantage d’une pâte thixotrope est qu’elle peut reprendre sa consistance initiale après l’avoir perdu suite à des sollicitions (transport, etc.). Elle peut donc continuer à maintenir les granulats en suspension. Par ailleurs, notre intérêt a été porté sur les essais d’écrasement. Ils permettent de caractériser la stabilité et l’homogénéité du mélange durant l’écoulement. C’est un aspect important à considérer car il qualifie la perméabilité du mélange et la cohésion entre ses constituants lorsqu’il est soumis à des contraintes plus ou moins élevées. Une partie expérimentale est centrée sur l’étude des pâtes de ciment et des micromortiers.

Ce mémoire est donc divisé en 2 parties. La première partie concerne une étude de bibliographie avec 2 chapitres. Le chapitre 1 est des conceptions de base de la rhéologie avec des définitions des paramètres principaux et des types de comportement rhéologique. Le chapitre 2 est des études sur le béton autoplaçant. Il commence par des études sur la partie importante du béton qui va influence fortement sur le comportement rhéologique, c’est la suspension cimentaire. Il s’agit de l’étude de la microstructure aux forces interactions et les paramètres influence sur la rhéologie de la pâte. Ensuite les méthodes de formulation du béton autoplaçant, à la fin c’est les connaissances sur les adjuvants organiques et minéraux avec leur rôle et leur action sur la capacité rhéologique de la pâte et du béton.

Ces éléments bibliographiques permettent d’aborder les problèmes associés à l’identification de la relation entre la rhéologie et la composition des suspensions concentrées.

La deuxième partie est la partie expérimentale qui se compose 4 chapitres. Le chapitre 3 et 4 est consacré à la formulation des pâtes et des matériaux utilisés dans cette thèse, ensuite l’étude expérimentale sur le comportement rhéologique de la pâte de ciment sous l'essai de cisaillement du type Couette co-axiaux, pour déterminer le seuil d’écoulement et la viscosité de la pâte de ciment. Ces sont les deux paramètres assez importants qui joue un rôle décidé dans le comportement rhéologique. Les mesures de la viscosité à l’état stationnaire vont donner un regard éclairage sur la viscosité, après les études de l'influence des adjuvants sur les propriétés rhéologiques de la pâte en déterminant les diagrammes de la viscosité et du seuil d’écoulement.

Le comportement thixotropique de la pâte de ciment a été considéré dans le chapitre 5. L’étude proposée ici se propose d’aborder, dans un premier temps, consiste à étudier les phénomènes thixotropies des pâtes de ciment du béton auto-plaçant en utilisant l’essai oscillation avec la rhéomètre de type cylindre co-axiaux Couette. Afin d’affiner les recherches portant sur le rôle des composants, des formules dérivés, obtenues par substitution de certains éléments de la matrice cimentaire, ont également été testées. Ensuite, les études de l'influence des adjuvants sur les propriétés de reprise de la viscosité de la pâte ont été réalisées.

L’évolution de la concentration volumique solide d’une suspension modifie les régimes d’écoulement du fluide. Un essai d’écrasement de la pâte de ciment permet l’identification des paramètres rhéologiques tels que le seuil de cisaillement et la viscosité. L’influence de la composition sur l’évolution de ces deux paramètres est discutée dans le dernier chapitre.

MORALITÉ :

« Ce que tu pense le problème, c'est le problème ».

Il faut travailler avec toutes vôtres passions et toutes vôtres motivations.



Partie I : La Bibliographie

1.Chapitre 1 : Conception de base de la rhéologie 10

1. Introduction 14

2. Conception de base de la rhéologie 14

2.1. Concentration volumique solide Ф 14

2.2. Indice des vides, porosité 15

2.3. Le coefficient de consolidation Cv [m2/s] 15

2.4. La perméabilité k [m/s] 15

2.5. Contrainte de cisaillement τ [Pa] 16

2.6. Vitesse de cisaillement [s-1] 16

2.7. Viscosité dynamique μ [Pa.s] 17

2.8. Seuil de cisaillement τo [Pa] 18

3. Comportements rhéologiques 19

3.1. Lois de comportement rhéologique 19

3.1.1 Fluides visqueux 20

3.1.2 Fluides viscoplastiques 21

3.1.3 Fluides plastiques parfaits 22

3.2 La thixotropie et antithixotropie 22

3.2.1 La Thixotropie 22

3.2.2 L’Antithixotropie 25

3.3 Modèle comportement rhéologique 25

3.3.1 Fluides visqueux 25

3.3.2 Fluides viscoplastiques 26

3.4 Modèle structuraux : 28

3.5 Structuration-destructuration: 28

4. Conclusion du chapitre 31

2.Chapitre2 : Les bétons Auto-plaçants (B@P) 34

1. Introduction 37

38

2. La structure des suspension de ciment 39

2.1 Microstructure de la pâte de ciment 40

2.1.1 Les ciments hydraté 40

2.1.2 Les hydrates de la pâte de ciment 43

2.2 Bilans des forces des suspensions: 47

2.2.1 Interactions interparticuliaires 47

2.2.2 Interactions colloïdales 47

2.2.3 Forces hydrodynamiques 48

2.2.4 Forces de contact 48

2.3 Modèle du grain unique 48

2.3.1 La surface du grain unique 48

2.3.2 L'eau au voisinage du grain 49

2.4 Les interactions entre deux grains dans l'eau 52

2.4.1 La gravité 52

2.4.2 Attraction et répulsion électrostatiques 53

2.4.3 Attraction et répulsion non-electriques 54

2.4.4 Les conséquences sur une suspension de grain sphériques 54

2.5 La structure des pâtes de ciments 57

2.5.1 L'état de floculent des pâtes de ciment 57

2.5.2 L'état dispersé des pâtes de ciment 58

2.6 Les paramètres influant sur les mesures rhéologiques des pâtes 59

2.6.1 Introduction 59

2.6.2 Effet du malaxage 59

2.6.3 Effet de la vibration 60

2.6.4 Effet des ajouts 60

2.6.5 Effet de la composition chimique du ciment 60

2.6.6 Effet de la surface spécifique du ciment 61

2.6.7 Effet d’une augmentation de la teneur en eau 61

2.6.8 Effet de l’ajout d’un agent de viscosité 62

2.6.9 Effet de l’air occlus 62

2.6.10 Effet de la température 63

2.6.11 Effet du temps 64

3.1 Principes de formulation 66

3.2 Formulation des bétons autoplaçants 66

3.2.1 Particularités de la composition des bétons auto-plaçants 67

3.2.2 Approche de Jean-Marie Geoffray 69

3.2.3 Approche de l’INSA de Lyon 69

3.2.4 Approche japonaise 70

3.2.5 Approche suédoise (CBI) 71

3.2.6 Approche LCPC 71

3.2.7 Quelques formulations types 72

3.3Propriétés rhéologiques des bétons autoplaçants 73

3.3.1 La relation entre la granulométrie et la demande en eau 73

3.3.2 Granulométrie et développement des résistances 74

3.3.3 La stabilité 74

3.3.4 La résistance à la ségrégation 74

3.4 Propriétés mécaniques et durabilité 75

3.4.1 Propriétés mécaniques 75

3.4.2 Durabilité 76

4. Les adjuvants organiques et minéraux 77

4.1 Les adjuvants organiques 77

4.1.1 Mode d’action des superplastifiants 77

4.1.2 La théorie DLVO 78

4.1.3 L’effet électrostatique au voisinage de la particule de ciment 79

4.1.4 La corrélation ionique 79

4.1.5 Quelques adjuvants organiques 80

4.2 Les ajouts minéraux (ou fillers) 85

4.2.1 Généralités 85

4.2.2 Les fillers calcaires 86

4.2.3 La fumée de silice 86

4.2.4 Cendres volantes 88

4.2.5 Laitiers de hauts fourneaux 89

5. Conclusion du chapitre 89

1.