BETON AUTOPLACANT

Spécificités

Formulation

Performances

Le béton : un matériau…

…très utilisé et peu coûteux

…peu polluant et peu consommateur d’énergie lors de sa production

I- Spécificités

I- SpécificitésI-1 Définition - remarques implicitesBAP = béton très fluide qui se met en place par gravité sans apport extérieur ou intérieur de vibration

≠ béton traditionnel à l’état frais (fluidité)

= béton traditionnel à l’état durci (performance mécanique, durabilité)Béton vibréBAP

≠

Obtenir la Fluidité peut se faire au détriment de l’homogénéité ségrégation !

Fluidité

Homogénéité Ségrégation

Principes de formulation à définir !

I-2 Avantages

Lorsque la composition allie fluidité et homogénéité :

• Elimination de la vibrationRéduction des nuisances sonores (confort environnemental, impact sanitaire, amélioration des conditions de sécurité sur sites de production, augmentation de la durée de vie des moules en préfabrication)

• Opérations de coulage possibles en conditions défavorablesDensité de ferraillage élevée, formes architecturales complexes

BAP Béton traditionnel(affaissement 14cm)

I- Spécificités

• Amélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciersEn évitant les nids de cailloux liés à une mauvaise vibration, Élimination du ragréage

Gain de productivité

Avantages (suite)

Et pourtant … le BAP n’est pas encore banalisé en France, du fait de son émergence récente :•augmentation du coût des matières premières (additions minérales, adjuvants),• modification des outils de fabrication.

I- Spécificités

I-3 Un peu d’histoire : le BAP est en effet nouveau dans la famille des bétons

Japon, début des années 80, deux aspects contradictoires dans le contexte de l’activité BTP :• spécificité accrue des constructions (niveau de qualité architecturale de plus en plus élevé),• baisse du nombre d’ouvriers qualifiés

Afin d’éviter l’altération de la qualité des structures (performances mécaniques, durabilité, finition), l’ insatisfaction de la part du maître d’ouvrage, du maître d’oeuvre, ainsi que, plus généralement, des entreprises BTP qui voyaient leurs marges diminuer, le concept BAP voyait le jour

Diminuer la fréquence de collision et de contact entre les granulats en les écartant les uns des autres.

• limiter le volume de gros granulats,• décroître le rapport eau sur liant,• utiliser un superplastifiant.

I- Spécificités

Pont suspendu Akashi-Kaikyo ouvert en 1998 (Japon)4 km de long

Un peu d’histoire (suite)

Béton traditionnel vibré

BAP

Constituants : ≥4 ≥6

Formulation différente entre

BAP et béton vibré

Sur ce principe, des études ont vu le jour à travers le monde dès le milieu des années 90, visant à caractériser des formules BAP aux états frais et durci et à montrer que le concept BAP présente des qualités au moins aussi bonnes que le béton traditionnel de résistance équivalente. Il en est ressorti des recommandations :Japon• “Recommendation for Construction of Self-Compacting Concrete”, Japanese Society of Civil Engineering, 1998

I- Spécificités

Un peu d’histoire (suite)

Europe• Report 23, State-of-the art report of RILEM Technical Committee 174-SCC, Self-Compacting Concrete, RILEM, 2000•“Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete”, EFNARC, November, 2001

Etats Unis•“Interim Guidelines for the Use of Self-Compacting Concrete in PCI Member Plants”, Precast/Prestress Concrete Institute (PCI), 2003. (document unique publié en attendant celui du comité ACI 237 Self-consolidating concrete établi en 2003).

En France• « Bétons auto-plaçants, recommandations provisoires », Documents scientifiques et techniques de l’Association Française de Génie Civil, juillet 2000.

(transcription des recommandations européennes)

• Un projet national (PN B@P) a démarré en 2000 avec l’objectif de transposer les données disponibles à l'échelon national tout en prenant en compte les spécificités hexagonales. Les recommandations, issues des études effectuées, doivent apparaître en 2007 au travers d’un recueil et ensuite dans des amendements aux normes en vigueur (EN 206-1 notamment).

Ces recommandations doivent permettre d’accentuer la banalisation du BAP en France puisque c’était leur absence qui provoquait la réticence des donneurs d’ordre.

I- Spécificités

Principaux résultats obtenus au LMDC dans le cadre du PN B@P

II- principe de formulation – vérification de l’autoplaçabilité à l’état frais

III- Performances à l’état durci

II- Formulation

II-1 GénéralitésCahier des charges

1ère composition

Essais

Composition finale

Expérience théorie

Correction composition

• Environnement de l’ouvrage au cours deson fonctionnement, • Caractéristiques géométriques de l’ouvrage, • Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci, • Conditions de fabrication et de mise en œuvre du béton frais, • Matériaux à disposition localement.

Au minimum, vérification de :• l’aptitude à l’écoulement (ouvrabilité, rhéologie),• la résistance en compression à échéance clé

•Obtenir une rhéologie permettant une mise en oeuvre adaptée aux moyens envisagés. La quantité de pâte, à qualité donnée, conditionne l’ouvrabilité

•Obtenir une résistance mécanique répondant aux fonctions principales du matériau dans l’ouvrage. La qualité de la pâte (rapport E/C) conditionne la résistance puisque la pâte apporte la cohésion à l’ensemble.

• Limiter les effets secondaires indésirables à moindre coût. Toutes choses égales par ailleurs, toutes les propriétés sont améliorées lorsque le squelette granulaire est de compacité maximale

II- Formulation

II-1-1 Environnement des ouvrages (EN 206-1, §4)

Pour les valeurs limites de concentration chimique à respecter en classe XA, se reporter au § 4-1, tableau 2 de la norme.

Dosages minimaux en ciment (annexe F)• ciment de type CEM I (EN 197-1), granulats dont la dimension maximale nominale maximale est comprise entre 20 mm et 32 mm.

• Tous types de ciment et granulats de dimension maximale nominale de 20 mm (application en France seulement)

La quantité de liant équivalent à ajouter (+) ou à déduire (–) en pourcentage de la valeur indiquée, en fonction de la dimension nominale supérieure du plus gros granulat, exprimée en mm est D ≤ 12,5 : + 10 % ; D = 14 : + 7,5 % ; D 16 : + 5 % ; D = 22,4 : – 2,5 % ; D = 25 : – 5 % ; D ≥ 31,5 : – 10 %.

X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3

Eeff/liant éq maximal - 0,65 0,65 0,60 0,60 0,55 0,55 0,50 0,60 0,55 0,50 0,60 0,55 0,55 0,45 0,55 0,50 0,45

Teneur mini en liant éq. kg/m3 150 260 260 280 280 330 330 350 280 330 350 280 300 315 340 330 350 385

A/A+C maxiAddition calcaire

0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,05 0,05 0,05 0,25 0,05 0,05 0,25 0,25 0,25 0,05 0,00 0,00 0,00

300 kg/m3 dans le cas du béton précontraint en conditions XC1 et XF1Rapport Eeff/liant éq à réduire de 0,05 à 0,1 pour les bétons préfabriqués en usine

Généralités – cahier des charges

Cinq classes d’exposition

II- Formulation

Rappel : liant équivalent

Liant équivalent (Liant éq.) = assemblage d’un ciment de clinker pur CEM I et d’une addition minérale plus ou moins active.

Il est défini en terme d’équivalence vis-à-vis des résistances mécaniques.

Si A est la quantité d’addition exprimée en kg/m3 et k le coefficient d’équivalence alors, le produit kA sera équivalent à une quantité C’ de ciment CEM I :

Liant éq.  = C + kA  ou  Liant éq.  = C+C’

EN 206-1, § 5.2.5.2, extrait tableau NA.3 pour application en France

Les quantités d’additions dépassant les valeurs admissibles ne sont pas prises en compte dans le calcul du Liant éq.

Rappel : eau efficace Eeff

EN 206-1 (§ 3.1.30) : différence entre la quantité d'eau totale contenue dans le béton frais et la quantité d'eau absorbable par les granulats

(EN 206-1, § 3.1.29, teneur en eau totale = l'eau d'apport plus l'eau déjà contenue dans et à la surface des granulats plus l'eau des adjuvants et des additions utilisée sous la forme de suspension et toute eau résultant de l'ajout de glace ou de chauffage à la vapeur).

Eeff = Ea + G (wg – Abg) + S (ws –Abs ) + A′ (wA – AbA) + awa Humidité supplémentaireà l’absorption

II- FormulationII-1-2 Caractèristiques géométriques des ouvrages et Dmax

Généralités – cahier des charges

II-1-3 Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci

• Résistance à la compression : un paramètre fondamental…La résistance caractéristique à 28 jours f ck-cyl (MPa) est définie pour le dimensionnement des ouvrages. Plusieurs classes de résistances (8 MPa à 100 MPa) sont définies ( EN 206-1, §4.3.1). Les contrôles s’effectuent sur cylindre d’élancement 2 ou sur cube f ck-cube selon les pays européens. …mais insuffisant pour le BAP dont la spécificité est à l’état frais !

• Autoplaçabilité : plusieurs facettes à vérifier (fluidité, capacités de passage et de remplissage, résistance à la ségrégation)

Mais aussi, selon prescription :• Tenue au feu, variations dimensionnelles et fissurabilité, durabilité (altération endogène, gel/dégel, résistance aux agressions chimiques)

II- FormulationGénéralités – cahier des charges

II-1-4 Caractères liés aux moyens de mise en œuvre du béton La formulation d’un béton ne peut se concevoir sans connaître les conditions de mise en œuvre, les modes de transport et l’énergie de serrage ou de compactage. Suivant les cas, les bétons seront compactés, vibrés, pompés, coulés, projetés ou simplement mis en oeuvre par gravité dans le cas des BAP.

EN 206-1, §4-2 classes de consistance pour les bétons plastiques et fluides, adaptées aux moyens de mesure : classe d’affaissement (S), classes Vébé (V), classes de serrage (C) et classes d’étalement (F).D’autres classes pourront être définies à l’avenir pour des bétons très spécifiques : bétons très fermes ou BAP.

Pour l’instant, le projet National B@P a défini 3 catégories de BAP à partir d’un index d’écoulement I, défini comme le plus petit espace libre entre armaturesque le béton aura à traverser.

333I < 80

22280 ≤ I < 100

221I ≥ 100

Epaisseur>300mmEpaisseur≤300mm

Coulage verticalCoulage horizontal

II-1-5 Ressources locales

Il n’existe pas une grande variété de ciments, d’additions minérales et de granulats disponibles en un lieu donné. Aussi, à quelques rares exceptions près, la formulation du béton devra tenir compte des ressources locales et des prix.

II- FormulationII-2 Principes de formulation des BAP

Caractéristiquesconstituants

Proportionsconstituants

Propriétés du béton

II-2-1 Caractérisation des constituants

Granulats (XP P 18-540 puis XP P 18-545)• Nature, qualité• courbe granulaire, Dmax• Masse volumique,• Compacité• Absorption• Teneurs en alcalins et chlorures

T a b l e v i b r a n t e

PS

S

HM

C

2

4

II- FormulationFormulation – caractéristiques constituants

Ciment (NF EN 197-1)• Nature• Masse volumique,• Résistance en compression (jeune âge, 28j)• Dégagement de chaleur• Teneurs en alcalins et chlorures

Additions minérales (filler calcaire NF P 18-508)• Nature• Masse volumique,• indice d’activité (jeune âge, 28j)• Dégagement de chaleur• Teneurs en alcalins et chlorures

Adjuvants (superplastifiant et éventuellement agent de viscosité) (EN 934-2)• Nature, effets principaux• Masse volumique,• extrait sec• effets secondaires• Teneurs en alcalins et chlorures

Eau (NF EN 1008)• Teneurs en alcalins et chlorures• Matières en suspension

Ajouts • Nature (fibres …)• Masse volumique• effets secondaires (rhéologie) •Teneurs en alcalins et chlorures

C h a r g e s a n i o n i q u e s

II-2-2 Propriétés du béton II- Formulation

Fluidité et homogénéité évaluées selon trois critères :• la capacité de remplissage,• la résistance à la ségrégation,• la capacité de passage.

En laboratoire (essai d’étude) ou sur site (essai de convenance ou de contrôle), ces critères sont mesurésà travers des dispositifs d’essai

XColonne LMDC

XXEntonnoir

XXJ-Ring

XStabilité au tamis

XXXBoite en L

XXXCône d’Abrams

Capacité de passage

Résistance à la

Ségrégation

Vitesse de déformation

Capacité de remplissage

Type d’essai

} AFGC

Formulation – propriétés du béton II- Formulation

Essai d’étalementEssai d’étalement

Cône DINCône DIN

Main écopeMain écope

Plateau inox avec niveau à Plateau inox avec niveau à bulles et pieds réglablesbulles et pieds réglables

Cône AbramsCône Abrams

Diamètre final

50 cm

Cône

d’AbramsGalette de Béton Mesure du tempsde passage

AFGC : 60 cm ≤ diamètre final ≤ 75 cm

≥ 60 cm≥ 60 cm≥ 50 cmDiamètre minimum

Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 110mm ≤Dmax ≤20mm

T50 max de 7s à 12s pour les plus faibles vitesses de déformation

Observation de la galette d’étalement

Homogène

Ségrégation !

II- Formulation

Formulation – propriétés du béton II- Formulation

Essai de la boîte en LEssai de la boîte en L

60 c

m

15 c

m

H2

H1

Ferraillage 3 14Espace libre, 39 mm entre les barres

AFGC : H2/H1 ≥ 80%

0,80 avec 3 barres0,80 avec 2 barresPas de prescriptionH2/H1 mini

Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 1

La vitesse de l’écoulement peut être évaluée en mesurant le temps de passage du béton à 20 cm et à 40 cm de la paroi verticale, respectivement notés T20 et T40. Des valeurs inférieures à 1,5 secondes pour T20 et inférieures à 3,5 secondes pour T40 sont recommandées afin de rester dans un domaine autoplaçant.

Observation de l’essai après arrêt de l’écoulementII- Formulation

Phénomènes de blocage !

Passage sans blocage

II- Formulation

Essai de stabilité au tamisEssai de stabilité au tamis

Tamis 5 mm

Passant (masse mm )

Refus

MM = 4,8 kg 0,2 kg

= mM . 100

50 cm

AFGC : la stabilité est :- satisfaisante si 0% 15%- critique si 15% < 30%- très mauvaise si > 30%

< 15%< 15%< 15%Stabilité admissible

Catégorie 3Catégorie 2Catégorie 1

La valeur limite autorisée au tamis ne peut en aucun cas être supérieure à 30 %, elle peut être supérieure à 15 % si l'on dispose de mesures probantes de non ségrégation pour des applications similaires.

Formulation – propriétés du béton

Autres essaisAutres essais II- Formulation

Trappe Trappe amovibleamovible

Remplissage

Entonnoir (V-funnel)J-Ring

Temps d’écoulement généralement compris entre 5 et 12s

Evaluer la perte d’étalement (perte de remplissage) en présence d’armatures. Cette perte ne doit pas dépasser 5cm pour un BAP.

Colonne LMDC

Caractérisation de la ségrégation statique par tamisage des fractions > 2,5 mm dans chacun des tiroirs

•7 tiroirs empilés, formant une colonne de 70 cm de hauteur.•La colonne peut donc être remplie de 15,75 litres de béton.• Les tiroirs sont numérotés depuis 7 (tiroir supérieur)jusqu’à 1 (tiroir inférieur).

Des tôles métalliques coulissantesassurent la séparation des tiroirs

Formulation – propriétés du béton

II-2-3 Proportions des constituants

Homogénéité Ségrégation

Méthodologie

Fluidité

400-700(500)

0.1-40.5-1.50.3-0.40.18-0.250.8-1.20.55-0.450.45-0.55f (kg/m3)AV/f (%)SP/f (%)Eeff/ff/solideg/ss/Gg/G

30000-0.30.450.151.50.40.6f (kg/m3)AV/f (%)SP/f (%)Eeff/ff/solideg/ss/Gg/G

BAP

BV

g = masse gravillons s = masse sableG = g+s f = ciment + addition minéralesolide = G+f Eeff = eau efficaceSP, AV = masses superplastifiant, agent de viscosité

II- Formulation

g/G (ou s/G), définissant le squelette granulaire, et f/solide fixent l’empilement granulaire et la séparation inter-particule

Influence sur l’écoulement du matériau

II-3 Méthodologie de formulation II- Formulation

II-3-1 Principe de base

BAP = pâte de ciment + squelette granulaire

0/4 R 4/8 C

Ciment + addition + eau + superplastifiant (+ agent viscosité) Sable + gravillon + eau

Fluidité et homogénéité !Critères rhéologiques

g / s

demande en eaucompacité

II-3-2 Première étape : Caractéristiques rhéologiques de la pâte II- Formulation

Notions de rhéologie

Rhéologie = étude de la déformation des matériaux (cas des solides) ou de leur écoulement (cas des liquides) sous l’effet d’une contrainte.

Pâte : un solide ou un liquide? comportement rhéologique

0

Comportements linéaires Comportements non linéaires

dydv

II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie

Deux grandeurs rhéologiques :

- Seuil de cisaillement [Pa]Contrainte minimale de cisaillement à atteindre pour que le matériau s’écoule

t

Seuil

• Seuil statique

• Seuil dynamique

Extrapolation de la courbe d’écoulement à un gradient de vitesse de cisaillement nul

II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie

- ViscositéMesure des frictions internes d'un fluide lors de son écoulement. Pour déplacer une couche d'un fluide par rapport à l'autre on doit appliquer une certaine force. Cette force augmente avec la viscosité du fluide.

F l u i d e N e w t o n i e n

F l u i d e d e B i n g h a m

0

1

1

B

B 0

H e r s c h e l - B u l k l e y

0

nk 0( n > 1 )

! cas non linéaire, est une fonction de !

Viscosité apparente [Pa.s]

gradient de vitesse = taux de variation de vitesse en fonction d'une distance. C’est le rapport Vt/b s’il est constant (cas linéaire), sinon il est préférable d'utiliser l’expression différentielle s’il n’est pas constant (cas non linéaire).

Rôle des adjuvants - généralitésII- Formulation

Type polycarboxylate avec chaîne POE

Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie

II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie

Effet des adjuvants sur les propriétés rhéologiques (exploitation modèles plan de mélange)

Seuil de cisaillement [Pa] Viscosité apparente à 18s-1 [Pa.s]

19 mm

38 mm

57 mmEtalement [cm]

II- FormulationCaractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie

Influence hierarchique des constituants sur les propriétés d’écoulement

Plan de mélange analyse statistiqueSeuil d’écoulement

SP (70%) AV (60%) C (45%) E (40%) F (20%)

Etalement

SP (60%) E (50%) C (45%) AV (30%) F (15%)

Viscosité apparente 4 s-1

C (60%) SP (40%) E (25%) AV (20%) F (15%)

Viscosité apparente 18 s-1

C (60%) E (40%) F (30%) SP (25%) et AV (25%)

C: ciment, F: filler calcaire, SP: superplastifiant, AV: agent de viscosité, E: eau

Valeurs cibles décrivant un écoulement fluide et homogène

Entre 1 et 3≥16≤ 10C+F+E+SP

Entre 3 et 6Entre 1 et 3≥16≤ 10 C+F+E+SP+AV

Viscosité à 18s-1 [Pa.s]

Viscosité à 4s-1 [Pa.s]Etalement [cm]Seuil [Pa]

Résultats non généralisables quels que soient les constituants

Nécessité de travailler toujours avec le même laboratoire

II-3-3 Deuxième étape : Caractéristiques du squelette granulaire II- Formulation

Granulométrie

0

20

40

60

80

100

120

0,01 0,1 1 10 100

Ouverture du tamis (mm)Pa

ssan

ts c

umul

és (%

)

0/3 C

0/4 R

4/8 C

4/12,5 R

Masse volumique absolue

Absorption

Pour chaque fraction (sable, gravillon), connaître :

Confection du squelette granulaire à partir d’un rapport g/s Fraction < 80µm Définition de classes i (proportions volumiques y i ) Compacité maximale

Modèle d’empilement compressiblePrise en compte de l’énergie de serrage à travers un indice de serrage KPrise en compte des interactions entre grains

Caractéristiques du squelette granulaire II- Formulation

T a b l e v i b r a n t e

PDétermination des compacités expérimentales:

- du squelette, C,- de chaque classe i, Ci

S2

S

HM4C

)

Hd1)(

²d1(1)k1(1 ii

wi

? 91

C1

y

Kn

1i

i

i

i

j

n

1ijj

iijj

1i

1jj

iiji

ii

ya1y11b11

Ci donné

)(Min i

NonouiC