Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

74
BADJI-MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITY UNIVERSITE BADJI-MOKHTAR-ANNABA Faculté des sciences de l’ingénieur Année 2009 Département de Génie Civil MEMOIRE Présentée en vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER THEME CONTRIBUTION A LA FORMULATION D’UN BETON AUTOPLAÇANT A BASE DE MATERIAUX LOCAUX Effet du laitier granulé micronisé sur l’ouvrabilité Option: Matériaux et Structures Par : Chahine BELGHIT RAPPORTEUR BEHIM Mourad MC Université de Annaba DEVANT LE JURY : PRESIDENT : REDJEL Bachir PR Université de Annaba EXAMINATEURS : ACHOURA Djamel MC Université de Annaba ARABI Noureddine MC Université de Annaba BELLOUETTAR Redjem MC Université de Annaba

Transcript of Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

Page 1: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

BADJI-MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITY UNIVERSITE BADJI-MOKHTAR-ANNABA

Faculté des sciences de l’ingénieur Année 2009

Département de Génie Civil

MEMOIRE

Présentée en vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER

THEME

CONTRIBUTION A LA FORMULATION D’UN BETON AUTOPLAÇANT A BASE DE MATERIAUX LOCAUX

Effet du laitier granulé micronisé sur l’ouvrabilité

Option:

Matériaux et Structures

Par :

Chahine BELGHIT

RAPPORTEUR BEHIM Mourad MC Université de Annaba

DEVANT LE JURY :

PRESIDENT : REDJEL Bachir PR Université de Annaba

EXAMINATEURS : ACHOURA Djamel MC Université de Annaba

ARABI Noureddine MC Université de Annaba

BELLOUETTAR Redjem MC Université de Annaba

Page 2: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

1

REMERCIEMENTS

Ce travail a été effectué au laboratoire de génie civil de l’Université d’Annaba, le Laboratoire

des travaux publics de Tébessa et le laboratoire de l’agence de contrôle technique de la

construction de l’est agence de Tébessa.

Tout d’abord, je tiens à remercier Dieu clément et le miséricordieux de m’avoir donné la force et

le courage de mener à bien ce travail.

Ce travail a été mené sous la direction de monsieur M.BEHIM, Je tiens à lui exprimer toute ma

reconnaissance, tant pour ses conseils, son intérêt et sa vaste culture que pour la confiance qu’il

m’a accordée pendant ce travail.

J’exprime ma gratitude à monsieur le Professeur REDJEL Bachir qui a bien voulu présider le

jury de ce mémoire.

Mes remerciements vont également à messieurs ACHOURA Djamel, ARABI Noureddine, et

BELLOUETTAR Redjem qui ont accepté d’examiner ce travail.

Je tiens enfin à remercier ma famille et mes amis pour leurs encouragements, leur soutien et leur

aide. Je pense plus particulièrement à mes parents, à mon frère et à mes soeurs

Page 3: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

2

RESUME Cette étude a été menée pour répondre à deux préoccupations principales, la possibilité de

formuler des BAP à base des matériaux locaux et l’influence du dosage d’une addition de laitier

granulé broyé sur le comportement rhéologique et mécanique des bétons autoplaçants.

Dans une première approche de la problématique, il fallait d’abord proposer une formulation de

béton ordinaire, suivit d’une proposition de formulation de béton autoplaçant avec optimisation

du dosage en adjuvant superplastifiant. Cette dernière formulation de béton autoplaçant a été

retenue pour étudier l’influence du laitier granulé micronisé sur les propriétés rhéologiques avec

vérification du critère de résistance mécanique en compression.

Les résultats obtenus montrent qu’avec un dosage en adjuvant superplastifiant optimisé mais

constant, il était faisable de formuler un béton autoplaçant de caractéristiques requises. Mieux

encore, il était possible de substituer une partie du ciment (50 kg / m3) par le laitier granulé

micronisé dans le béton autoplaçant.

L’ajout de 100 à 150 (kg / m3) de laitier granulé micronisé dans le béton autoplaçant entraîne

une légère réduction de l’ouvrabilité due à la diminution du rapport eau / liant équivalent,

cependant conduit à un effet bénéfique sur le comportement mécanique.

Page 4: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

3

ABSTRACT

This study was undertaken to meet two principal needs, the possibility of formulating self

compacting concrete (SCC) containing local materials and the influence of the proportioning of

an addition of granulated slag crushed on the rheological and mechanical behaviour of the

concretes SCC

In a first approach of the problems, it was initially necessary to propose an ordinary formulation

of concrete, followed of a proposal for a formulation of SCC with optimization of proportioning

in super plasticizer additive. This last formulation of SCC was retained to study the influence of

the granulated slag micronized on the rheological properties with checking of the criterion of

mechanical resistance in compression.

The results obtained show that with a super plasticizer proportioning in optimized but constant

additive, it was feasible to formulate a self compacting concrete of necessary characteristics.

Better still, it was possible to substitute part of cement (50 kg /m3) by the granulated slag

micronized in the SCC .

The addition from 100 to 150 (kg/m3) of granulated slag micronized in the SCC involves a light

reduction of the workability due to the reduction of the water ratio/equivalent binder, however

led to a beneficial effect on the mechanical behaviour.

Page 5: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

4

SOMMAIRE

Liste de figures……………………………...………………………..………

Liste des tableaux………………………………………………………..……

Introduction générale…………………………….……………………….…... CHAPITRE I : Etude Bibliographique………………………………………….……… Introduction…………………………………………………………………..……..….

1. Intérêt techniques et impact socio-économiques………………………………....… 1.1. Mise en œuvre………………...……………………………..……………….... 1.2. Domaine d’emploi……………………...………………….………………...… 1.3. Impact socio-économique………….………...…………..…………………......

2. Paramètres influencants la formulation des BAP……………….….………………... 2.1. Cahier des charges minimales à l’état frais……….................………………….. 2.2. Particularité de la composition des BAP…………...………………....……….... 2.2.1. L'emploi de superplastifiants……………..……………….……………….... 2.2.2. Un faible volume de gravillon………………………………………..……... 2.2.3. les additions………………..………………………………………..………. 2.2.3.1. Les cendres volantes…………………………….……………………… 2.2.3.2. Fumées de silice…………………………………..…………………….. 2.2.3.3. Filler calcaire………………………………….……………….………... 2.2.3.4. Laitiers de hauts fourneaux……………………………………………... 2.2.4.Role des additions……………………………………………………………. 3. Rappel sur les laitiers de haut fourneau……………………………...……………….. 3.1. Traitement du laitier au complexe sidérurgique d’EL HADJAR………………... 3.1.1. composition chimique……………………………………………………….. 3.1.2. Granulométrie……………………………………………………………….. 3.1.3. masse volumique…………………………………….………………………. 3.1.4. Hydraulicité du laitier granulé………………………………………………. 3.2. utilisation du laitier granulé……………………………...……………………. 3.3. conclusion………………………………………………………………………

CHAPITRE II : Méthodes de formulation et caractérisation des bétons autoplacants….. 1. Quelques méthodes de Formulation………………………………………………….. 1.1. Pratique actuelle de la formulation des BAP……………………………………. 1.2. Méthode japonaise proposée par Okamura et al………………………………… 1.3. Méthode française (LCPC) : proposée par De Larrad et al……………………… 1.4. Méthodes basées sur l'optimisation du squelette granulaire…………………….. 2. Caractérisation des BAP à l’état Frais……………………………………………….. 2.1. Mobilité en milieu non confiné………………………………………………….. 2.2. Mobilité en milieu confiné………………………………………………………. 2.2.1. Présentation des essais………………………………………………………. 2.2.1.1. capacité d’écoulement a travers les armatures…………………………….. 2.3. Stabilité………………………………………………………………………….. 2.3.1. Résistance à la ségrégation…………………………………………….…….. 2.3.2. Ressuage……………………………………………………………………... 3. Propriétés des BAP à l’état Durci……………………………………………………. 3.1. Propriétés Mécaniques…………………………………………………………... 3.1.1. Résistance mécanique………………………………………………………….

6

7 9

12

13 13 13 15 17 18 20 21 21 22 22 22 23 23 24 24 25 28 28 28 28 29 29 30

31 32 32 32 34 35 36 36 37 38 38 40 40 41 42 42 42

Page 6: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

5

4.conclusion……………………………………………………………………………

CHAPITRE III : MATERIAUX ET PROCEDURES……………………………………

Introduction……………………………………………………………………………... 1. Matériaux…………………………………………………………………………….

1.1. Ciment…………………………………………………………...……………….. 1.2. Granulats……………………………...…………………………………………... 1.3. Adjuvant………………………………………...………………………………… 1.4. Addition minéral………………………………………………...………………... 2. Essais et procédures…………………………………………………………...………. 2.1. Confection des bétons……………………………………………...……………... 2.2. Essais effectués sur le béton frais…………………………………………………. 2.3. confection des éprouvettes.……………………………..………………………... 2.4. mode de mûrissement…………………...………………………………………… 2.5. Essais réalisés sur le béton durci (résistance à la compression)…………………... 3. conclusion……………………………………………………………………………...

CHAPITRE IV : Formulation et caractérisation des bétons d’étude………..…………… Introduction……………………………………………………………………………….. 1. Critères exigés pour la formulation du béton………………………………………….. 1.1. Dimension maximale des granulats……………………………………………….. 1.2. Résistance…………………………………………………………………………. 1.3. Ouvrabilité………………………………………………………………………… 1.4. Agressivité du milieu ambiant………………………………………………….…. 1.5. Adjuvant ( Superplastifiant)………………………………………………………. 2. Formulation des bétons d’étude……………………………………………………….. 3. Optimisation des BAP………………………………………………………………….

CHAPITRE V : L’influence des additions sur l’ouvrabilité et la résistance à la compression de BAP………………………………………………………………. 1. L’influence des additions sur l’ouvrabilité et la résistance à la compression de BAP………………………………………………………………...….

2. discussion des résultats………………………………………………………………….

Conclusion générale…………………………………………………………………...…..

Références Bibliographiques………………………………………………………………

43

44

45 45 45 46 47 47 48 48 48 49 50 50 51

52 53 53 53 53 53 54 54 56 57

62 63

63

68 70

Page 7: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

6

LISTE DES FIGURES Figure 1 : Composition d'un béton ordinaire (BO) et d'un BAP. Aspect À l'état frais D’un BO plastique et d'un BAP

Figure 2 : Phénomène de blocage des granulats au droit d’un obstacle [8]

Figure 3 : Coupe schématique du haut fourneau

Figure 4 : Laitier cristallisé et laitier vitrifié (granulé) de haut fourneau

Figure 5 : Granulation du laitier de haut fourneau d’EL HADJAR

Figure 6 : Essais d'optimisation des dosages en eau et en superplastifant sur mortiers.

Figure 7 : Notion d'excès de pâte : la pâte remplit la porosité et écarte les granulats Figure 8 : Essai d’étalement au Cône (slump flow)

Figure 9 : Essai d’étalement au cône d’Abram

Figure 10 : Risque de blocage au droit des armatures

Figure 11 : Essais d’écoulement à travers des armatures (a) L-Box, (b) U-box, (c) J-ring

Figure 12 : Essai de stabilité au tamis

Figure 13 : Essai de ressuage à l’aéromètre Figure 14 : Evolution de la résistance mécanique d’un BAP (SCC) et d’un BV (REF) Correspondant [28]

Figure 15 : les courbes granulométriques des gravillons et sable

Figure 16 : laitier granulé d’el hadjar (avant et après le broyage)

Figure 17 : préparation des moules pour le coulage du béton

Figure 18 : la presse utilisée pour l’écrasement

Figure 19 : action des superplastifiants – défloculation des grains de ciment

Figure 20 : Evolution de l’étalement en fonction de dosage de superplastfiant

Figure 21 : étalement de BAP

Figure 22 : l’essai de stabilité au tamis

Figure 23 : essai de la boite en L

Figure 24 : affaissement du béton ordinaire ( cone d’abrams)

Figure 25 : Evolution de l'étalement de BAP en fonction de dosage de laitier

Figure 26 : Evolution de la ségrégation statique en fonction de dosage en laitier granulé

Figure 27 : l'évolution de la ségrégation dynamique en fonction de dosage en laitier

Figure 28 : l’influence du laitier sur la résistances des BAP à 7 et 28 jours .

19

20

26

27

28

34

35 37

37

38

39

41

40

41

46

48

50

50

55

57

59

59

60

60

64

64

65

66

Page 8: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

7

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Quelques exemples d’applications d’après SEDRAN [8]

Tableau 2 : Exemple de formulation françaises SEDRAN [8]

Tableau 3 : Composition chimique du ciment CPJ 42.5 d’EL-MALABIOD(TEBESSA)

Tableau 4 : Composition minéralogique du clinker

Tableau 5 : caractéristiques physique du ciment CPJ 42.5 Tébessa

Tableau 6 : Essai d’équivalent de sable

Tableau 7 : les résultats de caractérisation des matériaux

Tableau 8 : Valeurs préconisées pour les essais AFGC

Tableau 9 : composition du béton ordinaire ( Kg/m3)

Tableau 10 : Composition de béton ordinaire et BAP

Tableau 11 : Propriétés à l’état frais et durci de formulation

Tableau 12 : Evolution des résistances mécaniques des bétons ordinaires et le BAP de référence

Tableau 13 : les compositions des BAP testés

Tableau 14 : les résultats des propriétés physico mécaniques des BAP testés avec dosage différent de laitier granulé

16 21

45

45

46

47

47

49

57

58

58

60

63

63

Page 9: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

8

INTRODUCTION GENERALE

Page 10: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

9

INTRODUCTION GENERALE

Le béton est actuellement l’un des matériaux de construction les plus utilisés à travers le monde.

La simplicité de sa fabrication et de sa mise en place, son faible prix de revient et les

performances mécaniques et de durabilité qu’il assure ont légitimé son utilisation pour réaliser

des ouvrages les plus divers, notamment des bâtiments, des immeubles d’habitation, des ponts,

des routes, des barrages, des centrales thermiques et nucléaires, etc.

Depuis sa découverte et pendant de nombreuses décennies, ce matériau n’avait que peu évolué

mais, à partir des années 1970-1980, d’importantes avancées ont été réalisées qui lui ont permis

de diversifier les utilisations auxquelles il était destiné. Ainsi, les études menées sur ses

constituants granulaires ont conduit à améliorer ses propriétés existantes, en particulier avec les

bétons à hautes performances (BHP). D’autres familles de béton, relatives à certaines

applications, ont vu ensuite le jour comme les bétons à très hautes performances (BTHP), les

bétons de fibres (BFM) et les bétons de poudre réactive (BPR).

Après la recherche du gain maximum de résistance et de durabilité, une étape supplémentaire a

été franchie avec les bétons autoplacants (BAP). Plus qu’une nouvelle famille de béton, les BAP

constituent davantage une nouvelle technologie de construction. Celle-ci visait en effet au départ

(fin des années 1980, au Japon) à optimiser la productivité des constructions en béton. Les

différents avantages technico-économiques qu’elle présente ont suscité un intérêt grandissant des

industriels à travers le monde, aussi bien dans les secteurs de la préfabrication que dans ceux des

centrales de béton prêt à l’emploi.

Les principaux avantages des BAP sont liés à leur mise en place qui ne nécessite l’apport

d’aucune vibration, qu’elle soit interne ou externe. Ces avantages sont d’ordre technico-

économique mais également social. Ainsi, l’absence de vibration des BAP engendre une

diminution sensible des nuisances sonores ainsi que de la pénibilité du travail et une réduction

des délais et des coûts globaux de production. Sa fluidité permet également de couler des milieux

fortement ferraillés ou à géométrie complexe.

Cette mise en place, sous le seul effet de la gravité, nécessite une très grande fluidité du matériau

mais il est aussi indispensable que le béton conserve une stabilité satisfaisante et une parfaite

homogénéité. Ces deux propriétés contradictoires sont obtenues par l’ajout et le dosage adéquat

de superplastifiants et de fines ou l’emploi d’un agent de viscosité.

Page 11: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

10

Dans le cadre de la rentabilité économique et de l’optimisation des performances techniques

dans le domaine des travaux de bétonnage , la nécessité pour notre pays d’accélérer le

développement des bétons s’avère une priorité , ainsi , l’industrie de la construction est sans

doute une des plus grandes consommatrices de ressources naturelles est en même temps

responsable de la production d’un grand volume de déchets , donc l’amélioration des propriétés

physiques et mécaniques des bétons et les questions liées à l’environnement sont les

préoccupations fréquentes des études actuelles sur les bétons avec le développement des

adjuvants et la disponibilité d’additions actives , l’emploi de béton de haute performance à

fortement augmenté durant ces dernières années .

L’utilisation des ajouts minéraux dans les bétons comme substitut du ciment a des avantages

divers dont les principaux se rapportent au fait que le ciment est le composant le plus coûteux du

béton que sa production exige une grande consommation d’énergie et que la production d’une

tonne de ciment libère approximativement autant de dioxyde dans l’atmosphère.

Les autres avantages comprennent la minimisation des résidus industriels (dans des sites

d’enfouissement), une réduction de la demande en ressources naturelles par exemple, moins de

calcaire pour fabriquer le ciment.

L’un des matériaux les plus utilisés comme addition remplaçant une partie du ciment dans les

bétons est le laitier de hauts fourneaux qui est un déchet industriel résultant de l’élaboration de

la fonte et les fillers calcaire.

Ce travail s’inscrit dans cette logique et a été mené pour contribuer à :

- Formuler un BAP à base des matériaux locaux.

- Substituer une partie du ciment par le laitier granulé micronisé d’EL HADJAR et

étudier son influence sur l’ouvrabilité et la résistance en compression du BAP

- Etudier l’influence du laitier granulé micronisé d’EL HADJAR comme addition sur les

propriétés rhéologiques des BAP

Le mémoire est structuré en 05 chapitres :

• Le premier et le deuxième chapitre :est une synthèse des connaissances actuelles sur

les bétons autoplacants, leurs propriétés rhéologique et mécaniques et les différentes méthodes

de formulations, les particularités de la composition de BAP et leur caractérisation à l’état frais

(essais spécifiques) sont aussi abordées.

Page 12: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

11

• Le troisième chapitre décrit en détail tous les matériaux utilisés et les résultats des

différents essais de caractérisation de ces matériaux ainsi les protocoles expérimentaux qui nous

ont permis de mesurer toutes les grandeurs (ouvrabilité des BAP, résistance mécanique à la

compression).

• Dans le quatrième chapitre , nous présentons donc la formulation et l’étude de

l’optimisation de ce béton en vue de satisfaire à la fois un bon comportement rhéologique du

béton frais , mis en évidence par les tests d’ouvrabilité recommandés , et un bon comportement

mécanique du béton durci à partir de la caractéristique de base qui est la résistance mécanique

en compression qui a permis d’évaluer et de comparer la résistance de BAP et celle de BO (

béton ordinaire) et établir un BAP de référence .

• Le cinquième chapitre traite l’influence de laitier granulé broyé sur les propriétés des

bétons autoplacant à l’état frais et durci (résistance à la compression).

Les compositions des BAP ont été formulées avec 03 dosages différents en laitier 50, 100, 150

(Kg/m3), et un dosage en superplastifiant fixe.

Les résultats expérimentaux obtenus sont comparés à celles de BAP de référence qui nous ont

permis d’évaluer l’influence de l’ajout de laitier granulé sur les propriétés de BAP.

• La conclusion générale clôture ce mémoire en synthétisant les principaux résultats sur

la comparaison entre le béton ordinaire (BO), le BAP de référence (BAP Ref), BAP50, BAP100,

BAP150 du point de vue rhéologique et mécanique.

Page 13: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

12

CHAPITRE I

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

Page 14: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

13

INTRODUCTION

Les bétons autoplaçants (BAP, ou SCC, en anglais, self compacting concrete) ont été utilisés

pour la première fois au Japon vers la fin des années 1980 afin d’améliorer la rentabilité de la

construction, d’assurer constamment une mise en place correcte avec un béton de qualité et de

diminuer les nuisances sonores [1].

Ces bétons se développent maintenant en Europe et semblent être amenés à remplacer, à terme,

les bétons vibrés classiques dans de nombreuses applications. Ils présentent en effet des intérêts à

la fois techniques et économiques : possibilité de bétonner des zones fortement ferraillées ou à

géométrie complexe et obtention d’une meilleure qualité du parement (pratiquement

indépendante du savoir-faire des ouvriers) d’une part, diminution du temps et de personnel lors

de la mise en place et réduction des coûts des processus industriels, d’autre part.

1. INTERETS TECHNIQUES ET IMPACTS SOCIO-ECONOMIQUES

Leur origine semble provenir de la nécessité d’utiliser des matériaux de plus en plus

performants pour palier une réduction de la qualité des constructions due à une mauvaise mise

en place du matériau [2]. La mise en oeuvre d’un béton traditionnel nécessite une phase de

vibration afin de remplir correctement les coffrages. Cette étape conditionne la qualité de la

structure finale, mais c’est également un travail pénible qui demande un savoir-faire particulier.

La solution proposée a été d’utiliser un matériau très fluide, capable de se mettre en place et de se

compacter sous son Propre poids, sans vibration extérieure. Ces matériaux initialement appelés

bétons Hautes Performances, sont aujourd’hui connus sous le nom de bétons autoplaçants, bétons

autocompactants, ou bétons autonivellants, selon les applications [2]. Ils connaissent à l’heure

actuelle un essor considérable en Europe et aux Etats-Unis et prendront dans les années à venir

une place de plus en plus importante. Les domaines d’application des BAP sont nombreux, mais

leur utilisation implique une évolution ou une adaptation des moyens et des techniques

traditionnellement employées.

1.1. Mise en oeuvre

La principale différence, entre un BAP et un béton traditionnel, réside dans le comportement du

matériau à l’état frais et donc dans sa mise en oeuvre. La spécificité d’un BAP est d’être

extrêmement fluide. Il se compacte sous l’effet de son propre poids et ne nécessite donc pas de

vibration pour être mis en place. Par ailleurs, le matériau doit être stable pour assurer

l’homogénéité de la structure finale.

Page 15: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

14

En terme de mise en oeuvre, les BAP offrent des conditions plus souples que le béton traditionnel

du fait de la suppression de la vibration. Un des avantages majeurs des BAP, que nous

aborderons également dans la partie traitant de leur impact économique, est la réduction de la

durée de la phase de coulage : la vidange de la benne se fait plus rapidement, l’écoulement du

matériau est bien évidemment plus aisé, la phase de vibration est supprimée et l’arase supérieure

est plus facile à réaliser.

La méthode traditionnelle de remplissage par le haut du coffrage peut être utilisée avec une

hauteur de chute plus importante. Il convient cependant de la limiter à 5m, pour éviter des

problèmes de ségrégation dus à la chute du béton dans le coffrage [3]. L’utilisation d’un tube

plongeur peut être une alternative pour limiter la hauteur de chute du matériau. La fluidité des

BAP permet par ailleurs l’injection du matériau en pied de coffrage, même pour des éléments

verticaux.

D’après les recommandations de l’Association française de Génie Civil [3], quel que soit le mode

de remplissage retenu, il Convient de limiter la longueur de cheminement horizontal dans les

coffrages. Une perte d’homogénéité peut en effet se manifester lorsque ce cheminement est trop

important. Ainsi, La longueur de cheminement maximale préconisée est de 10 m. (Dans certains

cas, elle peut être limitée à 5 m. Concernant la préparation des coffrages, notamment vis à vis de

l’étanchéité et de l’absence de débris, les précautions à prendre sont similaires à celles pratiquées

pour les bétons traditionnels [3]. Les recommandations de la Fédération française du béton [4]

précisent cependant que l’étanchéité en pied de coffrage est essentielle et que la propreté des

coffrages est à vérifier tout particulièrement. En effet, l’aspect de surface des BAP étant un de

leurs principaux atouts, il convient d’apporter un soin particulier à la préparation des coffrages.

Ce temps de préparation supplémentaire n’est cependant pas pénalisant pour l’avancement du

chantier et reste négligeable face au gain de temps apporté par la suppression de la phase de

vibration.

L’absence de vibration simplifie par ailleurs le calage des armatures et des réservations.

Comme pour les bétons traditionnels, il convient de vérifier les conditions atmosphériques avant

coulage. En dehors de l’intervalle 5 - 25°C, des dispositions particulières sont à prendre [4, 5].

Une attention particulière doit être apportée à la cure des BAP, et pour éviter l’évaporation, et

particulièrement lorsque le rapport surface/volume est important.

Le faible ressuage des BAP les rend en effet plus sensibles au retrait hydrique [3,6] d’une

manière générale, il est recommandé d’éviter une évaporation trop importante dans les premières

heures après mise en oeuvre [3].

Page 16: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

15

1.2. Domaines d’emploi

Les caractéristiques des BAP laissent entrevoir de nombreuses possibilités techniques du fait de

leur grande fluidité :

- possibilité de coulage de zones fortement ferraillées,

- possibilité de coulage de zones d’architecture complexe et difficilement accessibles aux

ouvriers,

- obtention de très bonnes qualités de parement.

L’un des avantages majeurs du BAP est de permettre la réalisation de parements de grande

qualité. Leur composition, riche en éléments fins, permet d’obtenir une texture de surface plus

fine et plus fidèle à la peau coffrante utilisée. Les aspects satinés, lisses ou très structurés

recherchés par les architectes sont alors plus facilement réalisables. Des teintes homogènes et

régulières peuvent être obtenues si les conditions de mise en oeuvre évoquées précédemment

sont respectées, notamment du point de vue de la propreté des coffrages.

Le coulage d’un béton dans une zone très fortement ferraillée menait traditionnellement à un

surdimensionnement de la pièce afin de rendre accessible tout point du bétonnage.

L’utilisation des BAP présente des intérêts architecturaux importants puisque, sans augmenter les

performances mécaniques d’une structure donnée, ils permettent l’optimisation des sections ou la

réalisation d’éléments de forme complexe. Les BAP constituent donc une alternative

particulièrement intéressante au béton vibré dans les différents domaines de la construction :

bâtiment, ouvrages d’art, tunnels, préfabrication, réhabilitation, etc.

Walraven [7] précise cependant que les BAP sont souvent adoptés dans le domaine de la

préfabrication grâce aux avantages et aux gains directs qu’ils présentent. Globalement, leur

utilisation permet de réduire les coûts de production et, parallèlement, d’améliorer les conditions

de travail et la qualité des produits finis.

Leur utilisation est plus délicate sur site car Les BAP sont particulièrement sensibles aux

variations de teneur en eau. Or, bien que la production soit contrôlée, les lots de matériaux

peuvent avoir des caractéristiques légèrement différentes.

En effet, la formulation des BAP est particulière : utilisation d’adjuvants et d’additions

minérales. Leur sensibilité en ce qui concerne le dosage et la teneur en eau, la qualité et la

régularité des composants ainsi que les conditions de malaxage, nécessite donc la mise en place

d’un suivi plus important. Nous verrons que les différentes précautions à prendre sur chantier et

que la composition même du matériau peuvent entraîner un surcoût.

Les chantiers, où la solution BAP a été retenue, montrent l’intérêt de ces bétons.

Page 17: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

16

Les motivations de ce choix les plus couramment rencontrées sont la facilité de mise en oeuvre,

la réduction des délais et la qualité des parements [8]. On peut citer quelques ouvrages réalisés en

BAP :

Tableau 1 - Quelques exemples d’applications d’après SEDRAN [8]

Les BAP constituent une véritable alternative au béton traditionnel. Bien que leur formulation et

leur contrôle, lors de la mise en oeuvre, nécessite une attention particulière, différents exemples

ont mis en évidence les possibilités techniques qu’ils offrent. Outre le fait qu’ils couvrent la

gamme des propriétés mécaniques usuelles, les qualités esthétiques des parements obtenus

devraient rapidement séduire les maîtres d’ouvrage. Les caractéristiques techniques des BAP ont

par ailleurs une implication directe du point de vue économique mais aussi social.

Type de projet

Dmax

(mm)

Agent

de

viscosité

Etalement

(cm)

Résistance

à 28 jours

(MPA)

Volume

(m3)

Type de mise

en oeuvre

Immeuble de 20

étages : structure mixte

acier avec noyau central

en béton

20

Oui

67.5

53

1500

Pompage

Pile d’un pont à haubans

construite avec des

coffrages perdus

préfabriqués en béton

20

Oui

68

54

8000

Déversement à

Partir d’une

Benne à béton

Massif d’ancrage du plus

long pont suspendu actuel

(AKASHI KAIKYO)

40

Non

60

36

12000

Pompage

Mur de 8 m de haut et 20

cm d’épaisseur, la densité

de ferraillage rendait

difficile l’insertion du

tuyau de pompage

20

Non

55

36

80

Déversement

du haut des

coffrages (8m)

Page 18: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

17

1.3. Impacts Socio-économiques

Nous avons vu que la fluidité des BAP est telle qu’il n’est plus nécessaire de les vibrer pour les

mettre en oeuvre. La suppression de la phase de vibration est particulièrement bénéfique pour les

personnes chargées de la mise en place, puisque cela implique :

- une diminution du bruit sur site

- une diminution de la pénibilité des tâches

- une réduction des risques d’accident

En effet, le bruit engendré pendant la phase de vibration est particulièrement désagréable

puisqu’il est d’une intensité élevée sur des périodes relativement longues. Dans le cas des usines

de préfabrication, où la réverbération du bruit sur les parois peut augmenter le niveau sonore de

manière très importante, toutes les personnes présentes dans l’atelier sont concernées par la

réduction du niveau sonore ambiant. Cette réduction des nuisances sonores peut éventuellement

permettre une meilleure implantation des usines dans leur environnement, puisqu’il est plus

facile de respecter les réglementations en matière d’insonorisation. Dans le cas d’un chantier, ce

sont principalement les personnes chargées de la mise en place et de la vibration qui bénéficient

de la réduction du bruit, mais également les riverains lorsqu’il s’agit d’un site urbain.

Malgré l’utilisation de procédés de construction de plus en plus mécanisés, les efforts physiques

auxquels sont soumis les ouvriers restent pénibles. Avec l’apparition des BAP, les opérations

traditionnelles de coulage, d’étalement, de talochage et de surfaçage se réduisent à une étape de

coulage suivie d’un débullage dans le cas des applications horizontales. Pour les opérations

verticales, les divers déplacements sur les banches, à travers trappes et échelles, sont réduits de

manière significative. De plus, le fait de vibrer le béton peut avoir de graves répercussions sur la

santé. Par ailleurs, les BAP sont mis en place par des opérations simplifiées donc par des agents

plus rapidement formés. Ils peuvent donc se concentrer sur la préparation des coffrages sans

avoir à assimiler ou mettre en pratique les recommandations sur la vibration. Mais compte tenu

des objectifs exigeants des BAP, les techniciens du béton (formulateurs, agents de laboratoires et

responsables de chantier) sont plus sollicités sur leurs connaissances des matériaux. Ils doivent

donc se familiariser avec ces nouvelles formules de béton, les constituants utilisés, mais aussi

avec les matériels et procédures nécessaires à leur préparation [9].

L’utilisation d’un BAP peut s’avérer plus économique que celle d’un béton ordinaire, et ce

malgré un surcoût de formulation. Ce surcoût est principalement lié à l’adjuvantation puisque

la fluidité doit être instantanée, mais également se maintenir dans le temps, dans le cas où les

lieux de fabrication et de coulage ne seraient pas les mêmes. Cependant, ces frais

supplémentaires peuvent rapidement être compensés par la diminution des coûts de main

Page 19: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

18

d’oeuvre (réduction du nombre d’intervenants pendant la mise en place du béton), du temps de

coulage, des délais de fabrication, etc. Les BAP montrent en effet tout leur potentiel lorsque le

chantier est considéré dans son ensemble, frais directs et indirects, donc par«l’approche globale »

suggérée par Malier [10]. Même si l’utilisation des BAP nécessite certaines précautions en

matière de formulation ou de préparation du matériel, l’évaluation de leurs avantages techniques

mais également socioéconomiques montre que ces bétons devraient être de plus en plus utilisés à

l’avenir.

2. PARAMETRES INFLUENCANTS LA FORMULATION DES BAP

Par définition, un béton autoplaçant (BAP) est un béton très fluide, homogène et stable, qui se

met en place par gravitation et sans vibration. Il ne doit pas subir de ségrégation et doit présenter

des qualités comparables à celles d’un béton vibré classique. Le terme de béton autonivelant peut

aussi être utilisé mais il concerne plutôt des applications horizontales (dallage par exemple).

Ces bétons présentent plusieurs propriétés qui justifient l’intérêt nouveau que leur portent les

industriels [11] :

Cependant, ces avantages s’accompagnent fatalement de certains inconvénients :

- augmentation du coût des matières premières (additions, adjuvants),

- modifications des outils de fabrication (outils de mise en place).

Plusieurs approches de formulation des BAP ont été élaborées à travers le monde (approche

japonaise, approche suédoise, approche du LCPC, etc.) pour répondre aux exigences

d’ouvrabilité de ce type de béton.

Deux grandes familles prévalent actuellement :

• La première approche de formulation [12,13] :

Elle 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 permettent d’en

contrôler la fluidité et la viscosité. Cette approche de formulation conduit toutefois à des bétons

de hautes performances mécaniques, onéreux et mal adaptés à des ouvrages courants.

Page 20: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

19

- Un volume de pâte élevé

Les frottements entre granulats sont source de limitations vis-à-vis de l’étalement et de la

capacité au remplissage des bétons. Le rôle de la pâte (ciment + additions + eau efficace + air)

étant précisément d’écarter les granulats, son volume dans les BAP est donc élevé (330 à

400l/m3) [Figure 1].

Figure 1 - Composition d'un béton ordinaire (BO) et d'un BAP.

Aspect à l'état frais d'un BO plastique et d'un BAP.

• Une deuxième famille de formulations

Elle repose sur le remplacement d’une partie du ciment par des fines minérales [14]. 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.

- Une quantité de fines (Ø < 80 μm) importante

Les compositions de BAP comportent une grande quantité de fines (environ 500 kg/m3) pour

limiter les risques de ressuage et de ségrégation. Toutefois, le liant est fréquemment un mélange

Page 21: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

20

de deux, voire trois constituants, pour éviter des chaleurs d’hydratation trop grandes (et un coût

de formule trop élevé).

Ce sont les exigences de résistance à la compression, les critères de durabilité et les paramètres

d’ouvrabilité (fluidité) qui déterminent le choix de ces additions (cendre volante, laitier de haut

fourneau, filler calcaire, etc., le filler calcaire étant l’une des additions fréquemment rencontrées

dans les formulations de BAP) et leur proportion respective.

L’introduction d’additions minérales entraîne une modification de la porosité de la matrice

cimentaire et influence les caractéristiques mécaniques et autoplaçantes du béton.

2.1. Cahier des charges minimum à l’état frais

Plusieurs spécificités de composition des BAP découlent de ces diverses approches.

- Un BAP doit s’écouler naturellement sous son poids propre (avec un débit suffisant),

c’est à dire avoir un étalement et une vitesse d’étalement importants.

- Un BAP doit aussi pouvoir remplir, sans vibration, des zones confinées et une grande

fluidité du béton peut ne pas être suffisante pour cela. En effet, lors de son écoulement au droit

d’un obstacle, les gravillons cisaillent le mortier et ont tendance à entrer en contact les uns avec

les autres si ce dernier ne résiste pas suffisamment au cisaillement [Figure 2]

Figure 2 - Phénomène de blocage des granulats au droit d’un obstacle [8]

- Un BAP doit présenter une bonne résistance à la ségrégation statique jusqu’à la prise du

béton, pour des raisons évidentes d’homogénéité de ses propriétés mécaniques.

- De plus, le ressuage d’un BAP ne doit pas être trop fort car ceci peut générer une chute

d’adhérence des armatures, par rapport à celles situées En zone inférieure lors du coulage, ainsi

que l’apparition de fissures [15].

Page 22: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

21

En résumé, le principal problème dans la formulation d’un BAP est de concilier des propriétés a

priori contradictoires comme la fluidité et la résistance à la ségrégation et au ressuage du béton.

2.2. Particularités de la composition des BAP

Malgré les différentes méthodes de formulation existantes, certaines caractéristiques demeurent

intrinsèques aux BAP mais peuvent légèrement différer d’une approche à l’autre.

2.2.1. L'emploi de superplastifiants

La fluidité des BAP est obtenue en ajoutant des superplastifiants. Ces fluidifiants sont identiques

à ceux employés pour les autres types de béton, à savoir des polymères de type polycarboxylate,

polyacrylate/polyacrylate ester acrylique. Cette adjuvantation ne doit pas être trop élevée (proche

du dosage de saturation) sous peine d’augmenter la sensibilité du béton à des variations de teneur

en eau vis-à-vis du problème de la ségrégation et du ressuage. Les superplastifiants interagissent

avec les particules du ciment et des fines en s’adsorbant à leur surface pour diminuer le

phénomène de floculation au contact de l’eau. Ainsi, les particules sont dispersées par

combinaison d’effets électrostatiques et stériques et la proportion d’eau libre est plus importante

[16].

Tableau 2 - Exemple de formulation françaises SEDRAN [8]

Ciment

Kg/m3

Filler

Kg/m3

Gravillons

(10-14)

Kg/m3

Gravillons

(5-12.5)

Kg/m3

Sable

Kg/m3

Eau

Kg/m3

Super

plastifiant

Kg/m3

451

385

312

59

120

186

557

563

566

299

302

304

858

867

872

182.7

174

169.2

6.98

6.24

5.38

480

475

470

0

0

0

568

562

556

305

302

299

918

909

900

166.1

174.4

182.6

7.2

7.13

7.06

- selon le 1er cas (absence des additions), on remarque, plus le dosage en ciment

augmente, plus la demande en superplastifiant augmente.

- pour le 2eme cas (la présence des fillers comme adition) on remarque que plus le dosage

en fillers augmente, plus la demande en superplastifiant diminue.

Page 23: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

22

Toutes ces observations montrent que le couple ciment - superplastifiant peut également avoir

son importance et que le dosage en superplastifiant peut varier de 7.06 à 7.2 Kg/m3 selon l’effet

souhaité. Par conséquent, il convient d’attacher une importance toute particulière au dosage des

adjuvants pour atteindre au mieux les propriétés visées d’un BAP à l’état frais.

2.2.2. Un faible volume de gravillon

Les BAP peuvent être formulés avec des granulats roulés ou concassés. Cependant, comme nous

l’avons vu précédemment, il faut en limiter le volume car les granulats sont à l’origine du

blocage du béton en zone confinée. Toutefois, comme ils conduisent par ailleurs à une

augmentation de la compacité du squelette granulaire du béton, ils permettent de réduire la

quantité de liant nécessaire à une bonne ouvrabilité et une résistance souhaitée.

Ces deux facteurs conduisent à prendre pour les BAP un rapport gravillon/sable (G/S) de l’ordre

de 1, qui peut être corrigé suivant le confinement de la structure étudiée.

Le diamètre maximal des gravillons (Dmax) dans un BAP est compris classiquement entre 10 et

20 mm, mais comme les risques de blocage pour un confinement donné augmentent avec Dmax,

cela conduit à diminuer le volume de gravillon.

En résumé, les composants de base d’une formulation de BAP sont identiques à ceux d’une

formulation de béton vibré mais leurs proportions sont différentes. Afin d’obtenir les propriétés

requises à l’état frais d’un BAP, une importante quantité de fines et l’incorporation d’adjuvants

(notamment les superplastifiants) sont nécessaires.

2.2.3. Les additions

2.2.3.1. Les cendres volantes

Les cendres volantes sont obtenues par des dépoussiérage électrostatique ou mécanique de

particules pulvérulentes provenant du courant des gaz de chaudière, alimentées au charbon

pulvérisé.

Le remplacement d’une partie du ciment par des cendres volantes à une faible influence sur le

seuil de cisaillement et la viscosité des pâtes de ciment [17]. Certains auteurs remarquent

cependant que leur utilisation peut améliorer la fluidité, car leur forme sphérique permet de

réduire les frottements entre les grains de ciment. Ferraris et al. [18] montrent par ailleurs que le

diamètre moyen des cendres volantes a une légère influence sur la valeur du seuil d’écoulement,

les mélanges les plus fluides étant obtenus avec les particules les plus fines (diamètre moyen 3,1

μm). Associées à un superplastifiant, les cendres volantes permettent de réduire le dosage en

adjuvant nécessaire à l’obtention d’une certaine fluidité, mais le Rapport E/C doit être

Page 24: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

23

suffisamment important (équivalent au rapport utilisé pour l’échantillon Témoin) sinon la

demande en adjuvant augmente fortement.

2.2.3.2. Fumées de silice

Les fumées de silice sont formées de particules sphériques très fines (environ 1μm) présentant

une très forte teneur en silice (SiO2) amorphe. Elle proviennent de la réduction de quartz de

grande pureté par du charbon dans des fours a arc électrique utilisés pour la production de

silicium et d’alliages de ferroélectrique. Les fumées de silices ont des propriétés pouzzolaniques.

L’influence des fumées de silice doit être clarifiée. Pour certains auteurs [17-19], elles

augmentent les valeurs de seuil de cisaillement et de viscosité en augmentant la compacité des

mélanges,

Alors que pour CarIsward [20], par exemple, les fumées de silices ne modifient pas la viscosité.

Par rapport à la rhéologie d’un mélange de référence, Ferraris et al. [18] montrent que

l’utilisation de fumées de silice augmente la demande en eau et en superplastifiant que ce soit

pour des pâtes de ciment ou pour des bétons.

2.2.3.3. Filler calcaire

Sont des matières minérales naturelles ou artificielles, qui après une préparation appropriée en

fonction de leur granulométrie, améliorent les propriétés physiques (ouvrabilité et pouvoir de

rétention d’eau).

Ils peuvent être inerte ou présenter des propriétés faiblement hydrauliques, hydrauliques latentes

ou pouzzolaniques.

Zhu et Gibbs [21], ont étudié l’influence de différents type de filler calcaire. Dans le cas des

pâtes de ciment, le type de filler utilisé ne semble pas avoir d’influence sur l’étalement et ce pour

deux superplastifiants différents. En revanche, leur étude sur bétons montre que le type de filler a

une forte influence sur la demande en superplastifiant (choisit dans leur étude) pour obtenir un

étalement donné.

Les fillers à base de craie nécessitent plus d’adjuvant que les fillers calcaires et ceci sont

particulièrement remarquables dans le cas où le taux de remplacement est important.

Les causes possibles de différences entre les comportements des fillers sont la présence

d’impuretés, les différences entre les compacités et les possibles différences d’adsorption entre

les matériaux. Malgré cela, quel que soit le type de filler utilisé, leurs résultats montrent que plus

il y a de filler en remplacement du ciment, moins il faut de superplastifiant pour atteindre un

étalement donné.

Page 25: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

24

2.2.3.4. Laitiers de hauts fourneaux

Le laitier granulé de haut fourneau est un matériaux hydraulique latente, c'est-à-dire qui présente

des propriétés hydrauliques lorsqu’il a subit une activation convenable.

Le remplacement d’une partie du ciment par des laitiers de hauts fourneaux permet globalement

de réduire le seuil de cisaillement et la viscosité des pâtes de ciment [17, 19].

Shi et al. [19] montrent par exemple que les laitiers de hauts fourneaux adsorbent le

superplastifiant. Il est donc possible que la demande en superplastifiant soit plus importante pour

obtenir une même fluidité ou valeur de seuil de cisaillement

2.2.4. Rôle des additions minérales [50]

Les superplastifiants permettent donc d’obtenir des bétons très fluides en réduisant les

frottements entre grains de ciment et en libérant une certaine quantité d’eau. Leur utilisation n’est

pas suffisante dans le cas des BAP. Nous avons vu que la fluidité de la pâte avait une certaine

influence sur le comportement du matériau mais que la quantité de pâte jouait également un rôle

vis-à-vis de la fluidité du mélange. Les interactions entre les plus gros grains doivent aussi être

réduites. Pour augmenter la quantité de pâte d’un BAP, on peut alors envisager d’augmenter la

quantité de ciment. Or ceci conduirait à une augmentation significative du coût du matériau mais

également à des problèmes de retrait dus à l’élévation de la température lors de l’hydratation du

ciment. Il est donc nécessaire de remplacer une partie du ciment par des additions minérales.

Différentes additions sont citées dans la littérature : cendres volantes, laitiers de hauts fourneaux,

fumées de silice et filler calcaire.

Ces matériaux peuvent avoir une influence chimique et/ou un rôle physique selon leur nature.

L’activité d’une addition minérale peut avoir trois effets différents :

• Effet filler ou effet de remplissage

Une addition minérale incorporée dans un mortier ou un béton modifie le squelette granulaire du

mélange, qui peut compenser un déficit en particules fines. Le squelette se trouve alors optimisé

par remplissage d’une partie du volume des vides, la maniabilité du mélange s’améliorant. si la

quantité d’eau est réduite pour conserver la même maniabilité , alors la résistance augmente , cet

accroissement de la résistance est appelé effet filler

Page 26: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

25

• effet chimique ou pouzzolanique

L’activité chimique est le résultat de réactions chimique entre une ou plusieurs phases du

ciment et l’adition minérale. Par exemple les cendres volantes donnent lieu à la réaction

pouzzolanique. La réaction pouzzolanique est une réaction chimique entre la silice et la

portlandite. La silice est généralement apportée par une addition minérale de type cendre

volante, fumé de silice ou laitier de haut fourneau, la portlandite est produite par l’hydratation du

ciment.

La réaction pouzzolanique est une réaction qui ne peut avoir lieu qu’en présence d’eau.

L’accroissement de résistance qu’elle provoque prend toute son ampleur pour les longues

échéances, dans la mesure ou’ elle a aussi besoin d’hydroxyde de calcium, hydrate sous produit

de la formation du CSH du clinker.

• Effet physique ou de surface

L’incorporation dans les liants hydraulique d’une addition minérale, même inerte est favorable au

développement de la résistance à court terme. Cet effet est observé par de nombreux auteurs,

aussi bien sur des pâtes de ciment que des mortiers. Sans que les processus mis en jeu soient

clairement précisés et quantifiés, l’action de l’addition est généralement désignée sous le terme

de germination hétérogène.

Les hydrates nouvellement formés par l’hydratation du ciment pourraient précipiter en partie sur

les surfaces minérales offertes par l’addition. en conséquence la couche d’hydrate qui se forme

autour d’un grain de ciment anhydre présente une épaisseur réduite ; l’hydratation du cœur

anhydre , régie par des phénomènes de diffusion , est alors facilitée .l’addition minérale entraîne

donc une meilleur hydratation du ciment à un instant donné.

Ce processus d’hydratation différentielle entraîne une apparente accélération d’hydratation la

germination hétérogène reposant sur des phénomènes de surface, il est donc logique que la

résistance des mortiers augmente avec l’augmentation de la finesse des additions .mais, en fait,

plus que la surface spécifique, c’est vraisemblablement le nombre de particules d’addition par

unité de volume de pâte qui est le paramètre essentiel de ce phénomène.

3. RAPPEL SUR LES LAITIER DE HAUT FOURNEAU

Le laitier est un sous produit important de l’industrie sidérurgique, résultant de l’élaboration de

la fonte.

Le laitier de haut fourneau résulte de la fusion de la gangue de la minerai de fer, des cokes et des

additions minérales, un fondant, généralement à base de chaux est introduit pour abaisser le point

Page 27: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

26

de fusion de la gangue et obtenir le laitier à une température de 1400 à 1500 (C°) dans le haut

fourneau Figure 3.

Figure 3 - Coupe schématique du haut fourneau

Le laitier de haut fourneau est composé essentiellement de quatre composants :

Chaux ( CaO) , magnésie (MgO) , silice ( SiO2 ) et alumine ( Al2O3) , selon le mode de

refroidissement adopté , on distingue deux formes minéralogique différentes de laitier :

- le laitier vitrifié (granulé) obtenu par refroidissement rapide par trempe : possède une

structure vitreuse riche en énergie lui conférant une hydraulicité latente (figure 4).

- le laitier cristallisé obtenu par refroidissement lent : lui a une structure minéralogique

cristalline stable et son hydraulicité si elle existe n’est que modeste (figure 4).

Cette différence, du point de vue cristallographique et chimique conditionne les propriétés des

matériaux obtenus et donc leur utilisation.

Page 28: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

27

Figure 4 - Laitier cristallisé et laitier vitrifié (granulé) de haut fourneau

• Laitier cristallisé :

Le laitier liquide à 1300 C°/1500C° est évacué immédiatement en poche à laitier, dés la sortie du

haut-fourneau vers des zones spécifiques nommées crassiers, pour y être déversé, coulée après

coulée. Il s’y refroidit lentement, se transformant ainsi en roche dure artificielle. Le laitier

cristallisé, chimiquement stable, est destiné à être concassé .ses constituant sont essentiellement

des silicates et des silico-aluminates de calcium [22].

• Laitier vitrifié :

Brusquement refroidi à l’eau (trempe), il présente une structure vitreuse désordonnée,

susceptible, sous certaine conditions, d’évoluer vers une forme cristalline stable en développant

des résistances mécaniques, il existe deux types de laitier vitrifié :

• le laitier granulé :

Pour lequel le refroidissement se fait selon deux formes : le laitier liquide est versé dans de

grands bassins d’eau ou’ il se transforme en sable grossiers de granulométrie 0/5 qui est le laitier

granulé, cette méthode de granulation a été utilisée à l’origine comme moyen de fragmentation

pour faciliter la manutention du laitier.

Il peut être trempé par des jets d’eau alors qu’il s’écoule à la sortie du haut fourneau, c’est le

procédé utiliser pour la granulation du laitier d’EL HADJAR [23].

Page 29: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

28

Figure 5 - Granulation du laitier de haut fourneau d’ EL HADJAR

3.1. Traitement du laitier au complexe sidérurgique d’EL HADJAR

Le complexe sidérurgique d’El Hadjar est équipé de deux hauts fourneaux qui produisent des

quantités considérables de laitier (environ 380 Kg par tonne de fonte) [23]. En exploitation

normale ces deux hauts fourneaux peuvent produire chaque année 500.000 tonnes de laitier brut

[23] dont le taux de granulation varie selon la demande.

3.1.1. Composition chimique

La composition chimique du laitier peut varier dans de larges limites, suivant la pureté du

minerai, la nature et la qualité du fondant, la nature du combustible et le procédé employé.

Généralement les concentrations en oxydes varient pour la chaux (CaO) de 30 à 50 %.

La silice (SiO2) de 28 à 38 %, l’alumine (Al2O3) de 8 à 24 %, le soufre (S) de 1 à 2.5 %.

3.1.2. Granulométrie :

Le laitier granulé se présente sous forme d’un gros sable de granulométrie 0/5 et de module de

finesse voisin de 3.

3.1.3. Masse volumique

La masse volumique apparente du laitier granulé peut varier de 900 à 1000 Kg/m3 et la masse

volumique absolue varie de 2800 à 3000 Kg/m3.

Page 30: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

29

3.1.4. Hydraulicité du laitier granulé

L’hydraulicité du laitier vitrifié par trempe est sa faculté d’évoluer, sous l’effet d’une activation

basique (attaque des grains vitreux par une solution basique) vers son plus bas niveau d’énergie

en formant des produits d’hydratation solides et ceci grâce à sa structure vitreuse, irrégulière et

riche en énergie, cette propriété dépend essentiellement de [24]:

- la composition chimique du laitier

- la finesse des particules du laitier

- le degré de désordre des liaisons

- la température d’hydratation du système et sa concentration en alcalin

3.2. Utilisation du laitier granulé

• Dans le béton

Le laitier granulé peut intervenir comme constituant dans la composition des bétons

hydrauliques. Il peut être ainsi utilisé dans les bétons classiques comme sable actif de part son

caractère hydraulique, soit à l’état brut, soit sous forme de laitier pré broyé. Il peut également être

moulu et incorporé dans le béton comme filer actif [25] [26].

• Dans les ciments

c’est en 1990 que fut produit les premiers ciments au laitier , qui a conduit a la fabrication de

ciment CPJ résultant d’un broyage simultané de clinker ( 70 à 80 % ) de laitier granulé ( 15 à

25 %) et de gypse naturel (5 %).

• Autres utilisations :

- dans les briques de laitier,

- dans la construction d’assise de chaussées,

- comme matière première dans la fabrication du verre,

- soit comme matière première dans la fabrication de la céramique, soit sous forme de

matériaux fondus à haute température puis refroidi et traité thermiquement pour

donner naissance à la vitro céramique

- comme dégraissant des argiles pour la terre cuites

Page 31: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

30

3.3. Conclusion Dans le premier chapitre, on a vu la principale différence entre un BAP et un béton traditionnel,

cette différence est réside dans le comportement du matériaux à l’état frais, ce comportement est

dépend de plusieurs paramètres, il doit répondre à un cahier de charge bien défini pour optimiser

un BAP.

A cet effet, nous avons consacré le chapitre 02 pour présenter les différentes méthodes de

formulations et les propriétés des BAP.

Page 32: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

31

CHAPITRE II

METHODES DE FORMULATION ET DE CARACTERISATION

DES BETONS AUTOPLAÇANTS

Page 33: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

32

1. QUELQUES METHODES DE FORMULATION

1.1. Pratique actuelle de la formulation des BAP

La plupart des formules de BAP sont conçues actuellement de manière empirique. La méthode de

Dreux - Gorisse n'est en effet pas adaptée, car elle ne prend en compte ni les adjuvants ni les

additions. La formulation se fait donc sur la base de l'expérience acquise ces dernières années.

Par chance, le cahier des charges des BAP est très souvent réduit à sa plus simple expression,

puisqu’il ne concerne que les propriétés à l'état frais. En fait, le client majoritaire des fabricants

de BPE, et notamment l'industrie des bâtiments, qui utilisent principalement des bétons de 25 à

35 MPa. Or, par expérience, on sait que ces résistances "ordinaires" sont facilement atteintes par

les BAP (d'autant plus que leurs rapports E/C sont proches de ceux des BO qu'ils doivent

remplacer).

En outre, l'aspect économique n'est pas encore le critère prédominant de la formulation ; les

dosages en superplastifiant et en fines ne sont donc pas bornés. Il est vrai, paradoxalement, que

l’utilisation des agents de viscosité n'est pas très diffusée, justement à cause de leur coût, avec le

temps, et le retour d'expérience, certaines plages se sont dessinées pour chaque constituant,

facilitant un peu le travail du formulateur [3].

- Le volume de gravillons est limité en prenant un rapport G/S (masse de gravillons sur

masse de sable) proche de 1.

- Le volume de pâte varie entre 330 et 400 l/m3.

- La masse de ciment est supérieure ou égale au minimum requis par la norme du BPE

(P18-305), soit en général de 300 à 350 kg/m3. En complément, la masse d'addition se

situe entre 120 et 200 kg/m3.

- Le dosage en superplastifiant est proche de son dosage à saturation.

La formulation se fait par tâtonnement sur la base de ces plages. Certains formulateurs ont certes

développés leur propre outil. Sont le plus souvent des méthodes dérivées de la méthode Dreux-

Gorisse, avec une courbe granulométrique de référence englobant les éléments fins. Ces

approches sont intéressantes dans le sens où elles permettent de détecter les classes granulaires

manquantes. On ne peut toutefois pas les considérer comme des techniques à proprement parler

de composition, car il n'existe pas de courbe de référence universelle Ce sont plus des supports

qui facilitent la formulation.

1.2. Méthode japonaise proposée par Okamura et al [27]

Le principe de cette méthode est le suivant :

Page 34: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

33

- la teneur volumique en gravillons du béton est fixée à 50 % du volume du solide

- le volume du sable est fixé à 40% du volume total du mortier

- l’optimisation de la pâte s’effectue sur un mortier dont la teneur volumique en sable

est égale à 40 %

- l’eau, superplastifiant et les fines sont ajustés pour les mortiers pour obtenir une

viscosité suffisante (mesurée par le temps d’écoulement par l’entonnoir figure 6-a) et une

fluidité importante (mesurée par l’étalement au cône figure 6-b).

Les auteurs définissent alors deux grandeurs : étalement relatif et vitesse relative d’écoulement :

L’étalement relatif D est donné par l’équation :

2

20

2

d)dd(D −

=

D Etalement relatif

d est le diamètre de la galette et d0 la base du cône ( en cm).

Ils définissent également l’écoulement relatif T

etT 10

=

T : écoulement relatif (seconde -1)

te : le temps d’écoulement à l’entonnoir exprimé en seconde

Pour obtenir un béton autoplacant acceptable, il faut avoir simultanément :

D = 10 , T = 1 (S-1)

Page 35: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

34

(a) Cône à mortier

(b) Entonnoir à mortier

Figure 6 a et b - Essais d'optimisation des dosages en eau et en superplastifiant sur mortiers.

1.3. Méthode française (laboratoire central de ponts et chaussées (LCPC) : proposée par De

Larrad et al [28]

Au LCPC , un model mathématique a été développé à partir d’un model de suspension solide ,

ce model est basé sur les interactions granulaire entre les différents constituants du mélange . Il

permet de prévoir la compacité d’un mélange granulaire avec une précision inférieur à 1% à

partir des constituants ci-après :

- Les distributions granulaires,

Page 36: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

35

- Les proportions du mélange

- La compacité propre

- La densité apparente

La procédure à adopter pour déterminer les proportions des divers constituants est la

suivante :

- la proportion du liant et fixée à priori (70% du ciment, 30% d’addition par exemple).

- le dosage, à saturation, du superplastifiant est déterminé, selon l’expérience du LCPC,

ce dosage pourrait conférer au béton une viscosité élevée, la moitié de ce dosage serait plus

pertinente.

- le besoin en eau de ce mélange (en présence de superplastifiant) est déterminé.

- les calculs sont effectués avec le logiciel en tenant en compte du confinement (effet de

Paroi)

- La viscosité est fixée de manière arbitraire, La teneur en eau est réduite en

conséquence et la proportion (liant / filler) est maintenue constante. Les proportions (granulats /

phase liante) sont optimisées.

1.4. Méthodes basées sur l'optimisation du squelette granulaire [16]

La formulation des bétons peut passer par une optimisation de la porosité du système formé par

les grains solides, du ciment aux gravillons [16]. Il est connu par exemple que la résistance à la

compression augmente avec la compacité de la pâte. L'ouvrabilité est elle aussi tributaire de

l'arrangement du squelette granulaire.

Dans ce cas le béton est considéré ici comme un mélange bi - phasique , avec une phase solide ,

les granulats , et une phase liquide , la pâte , dans le cas des BAP , la pâte joue un rôle

prédominant . c’est alors que la notion d’excès de pâte est introduite , comme mentionnée sur

la Figure 7 , la formulation consiste à déterminer la quantité de pâte en excès optimale pour

fluidifier le BAP et limiter les problèmes de blocage.

1 2

Figure 7 - Notion d'excès de pâte : la pâte remplit la porosité (1) et écarte les granulats (2).

Page 37: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

36

DE LARRAD et AL [28] ont développé un model décrivant mathématiquement un empilement,

à partir des caractéristiques des grains qui le composent (forme, granulométrie). Le model permet

le calcul de la compacité du béton et d’un indice représentatif de son degré de serrage. A laide

de ces variables sont modélisées la viscosité et le seuil de cisaillement du béton frais.

2. CARACTERISATION DES BAP A L’ETAT FRAIS

Les connaissances acquises depuis l’apparition des BAP et la meilleure maîtrise de toutes les

étapes (formulation, fabrication, mise en oeuvre et contrôle) sont suffisantes pour permettre

l’utilisation de ces bétons dans de nombreuses applications. Certains points restent cependant à

améliorer pour en étendre l’emploi.

Le comportement d’un BAP à l’état frais se différencie notablement de celui d’un béton

ordinaire. Son ouvrabilité se décline classiquement suivant : sa mobilité en milieu non confiné, sa

mobilité en milieu confiné et sa stabilité (vis à vis de la ségrégation et du ressuage) [3]. La

formulation d’un tel béton est donc plus complexe que celle d’un béton traditionnel et implique

une composition spécifique.

En France, des recommandations nationales AFGC [15] prévoient de caractériser les BAP à l’état

frais en prenant en compte les trois caractéristiques principales demandées :

- la mobilité en milieu non confiné,

- la mobilité en milieu confiné,

- la stabilité c'est-à-dire la résistance à la ségrégation et au ressuage.

2.1. Mobilité en milieu non confiné

L’essai le plus courant, car le plus facile à mettre en oeuvre, permettant de caractériser la

mobilité en milieu confiné est l’essai d’étalement réalisé à l’aide du cône d’Abrams (voir figure 8

et 9).

En effet, la valeur de l’étalement, donnée par la mesure du diamètre de la galette de béton,

s’avère être plus représentative que celle de l’affaissement. Les valeurs d’étalement sont

habituellement fixées entre 60 et 75 cm, sans auréole de laitance ou d’amoncellement de gros

granulats au centre en fin d’essai [15]. La vitesse d’étalement du béton est également une

indication souvent prise en compte (t50 par exemple : temps pour atteindre une galette de

diamètre 50 cm).

Page 38: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

37

Figure 8 - Essai d’étalement au cône (slump flow)

Figure 9 : Essai d’étalement au cône d’Abrams

2.2. Mobilité en milieu confiné

Lors de leur mise en oeuvre, les BAP sont soumis à différentes sollicitations. Dans un premier

temps, le matériau doit s’écouler et passer à travers des armatures plus ou moins denses. Une fois

le remplissage effectué, le matériau est soumis à la gravité jusqu’à la prise. Afin de rester

homogène tout au long de ces différentes étapes, le matériau doit répondre à ces sollicitations de

différentes manières.

S’il y a instabilité, c’est à dire une séparation entre les gros granulats et la phase suspendante lors

de la mise en oeuvre dans le coffrage, on parle de ségrégation dynamique. La ségrégation

statique peut apparaître une fois que le matériau est en place et jusqu’à la prise.

La ségrégation peut être nuisible aux résistances mécaniques mais également à la durabilité de la

structure. Or elle n’est pas visible sur les parements sauf si elle s’accompagne de ressuage. Il est

Page 39: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

38

donc nécessaire de s’assurer en amont de la stabilité du BAP et de disposer d’essais de

vérification avant coulage.

2.2.1. Présentation des essais :

2.2.1.1.Capacité d’écoulement à travers des armatures :

Différents essais sont disponibles pour mettre en évidence la capacité d’un BAP à s’écouler à

travers un ferraillage plus ou moins dense.

• L’essai à la L-Box est recommandé par l’AFGC [3]. Il permet de tester la mobilité du

béton en milieu confiné et de vérifier que sa mise en place ne sera pas contrariée par des

phénomènes de blocage (Figure 10).

Figure 10 - Risque de blocage au droit des armatures

Le dispositif d’essai est constitué d’une boîte en forme de L (figure 11- a). La partie verticale est

séparée de la partie horizontale par une trappe. Des armatures peuvent être intercalées avant la

trappe. L’AFGC [3] recommande l’utilisation de trois barres de 14 mm de diamètre, espacées de

39 mm. Le mode opératoire de l’essai à la L-Box est le suivant : la partie verticale du dispositif

est remplie de béton (volume nécessaire de l’ordre de 13 L). Après arasement, le matériau est

laissé au repos pendant 1 min. La trappe est ensuite soulevée afin de laisser s’écouler le béton à

travers le ferraillage. A la fin de l’essai, les hauteurs de béton, de la partie verticale et de

l’extrémité de la partie horizontale, sont mesurées (respectivement H1 et H2). Le rapport H2/H1

permet de caractériser la dénivellation et doit être supérieur à 0,8. Un mauvais écoulement du

béton à travers le ferraillage et un amoncellement de granulats au niveau de la grille sont signes

d’un problème de blocage ou de ségrégation.

Page 40: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

39

Figure 11 a : Essai d’écoulement à travers des armatures L Box

Un essai proche de celui que nous venons de décrire est l’essai à la boîte en U (U-Box) présenté

sur la figure (11.b). Il est utilisé au Japon et en Angleterre mais ne semble pas être utilisé en

France. Le principe est sensiblement le même que pour la boîte en L. Le béton doit s’écouler à

travers des armatures et remonter dans la deuxième partie du U de la boîte. Une hauteur de

remplissage supérieure à 300 mm est requise [29]. Différentes versions de la forme de la boîte

existent : fond arrondi ou fond aplati.

Figure 11 b : Essais d’écoulement à travers des armatures U-box,

Afin de vérifier la capacité d’un béton à s’écouler à travers des armatures, le J-ring test peut

également être employé (figure 11-c). Il s’agit d’un anneau sur lequel différentes armatures

peuvent être fixées .

Page 41: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

40

Figure 11 c : Essais d’écoulement à travers des armatures J-ring

• Conclusion

La ségrégation dynamique est une séparation entre les granulats et la phase suspendante lors De

l’écoulement. Certaines précautions de formulation, telles que la réduction du diamètre maximal

des granulats, peuvent permettrent de limiter les risques de blocage au droit des Armatures.

Cette ségrégation dépend principalement de la viscosité du matériau qui permet d’entraîner

correctement les granulats lors de l’écoulement.

Une nouvelle contrainte est apparue. Non seulement l’étendue granulaire doit être limitée, mais

la granulométrie doit également être continue et bien distribuée. La quantité de sable doit donc

être ajustée pour obtenir un compromis satisfaisant.

Cependant, l’absence de ségrégation dynamique lors d’un essai à la L - Box ou au V- Funnel ne

suffit pas à garantir l’homogénéité des propriétés finales du matériau. Une instabilité du matériau

peut également s’opérer lors de la phase de repos précédant la prise. Cette ségrégation statique

est présentée par la suite.

2.3. Stabilité

Pour l’étude du phénomène de ségrégation statique, on suppose que le matériau s’est

correctement mis en place (absence de ségrégation dynamique) et que seule une ségrégation des

gros granulats sous l’effet des forces de pesanteur peut apparaître.

L’aptitude d’un BAP à rester homogène une fois coulé est aussi importante que celle durant la

mise en place. L’homogénéité du matériau conditionne en effet ses propriétés à l’état durci

(résistance mécanique, retrait, durabilité, etc.). Le béton doit donc être stable sous l’effet de la

gravité (pas de ségrégation) et présenter une capacité de ressuage limitée.

2.3.1. Résistance à la ségrégation

L’essai de stabilité de référence n’existe pas encore mais la résistance à la ségrégation statique

d’un BAP doit impérativement être caractérisée. Différents tests peuvent être utilisés pour

Page 42: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

41

caractériser cette capacité d’un BAP à rester homogène après sa mise en place jusqu’au début de

prise. Un de ces essais est celui dit de « stabilité au tamis », (Figure 12) [15], qui consiste à

évaluer le pourcentage en masse de laitance (noté PLAITANCE

par la suite) d’un échantillon de

béton (4,8 ± 0,2 kg) passant à travers un tamis de 5 mm. Les critères d’acceptabilité d’une

formulation de BAP sont divisés en trois classes :

- 0% < PLAITANCE

< 15% : stabilité satisfaisante,

- 15% < PLAITANCE

< 30% : stabilité critique (essai de ségrégation à réaliser sur site),

- PLAITANCE

> 30% : stabilité très mauvaise (ségrégation systématique, béton inutilisable).

Figure 12 - Essai de stabilité au tamis

2.3.2. Ressuage :

La capacité de ressuage peut être mesurée par l’essai à l’aéromètre modifié (développé par le

LCPC, Figure 13) [15] : le volume d’eau libéré par l’échantillon de béton remonte au-dessus du

perchloroéthylène (dont la densité est supérieure à celle de l’eau : 1,59) dans une colonne

graduée où il est facile de l’estimer [15].

Ce test semble cependant peu pratique à utiliser étant donné la nocivité du produit employé.

Page 43: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

42

Figure 14 - Essai de ressuage à l’aéromètre

3. PROPRIETES DES BAP A L’ETAT DURCI

Les particularités de composition des bétons autoplaçants conduisent à étudier les différentes

propriétés mécaniques de ces bétons

3.1. Propriétés Mécaniques

De nombreux travaux ont montré que les déformations des bétons sont sensibles à la proportion

de granulats qui entre dans leur composition [30]. Plus précisément, le béton peut être représenté

comme une combinaison de deux phases : la pâte de ciment durcie, ou matrice, et les granulats,

ou inclusions. Les propriétés de ce mélange (module, retrait, fluage) dépendent alors des

caractéristiques élastiques respectives de chaque phase, de leur proportion, de leur fluage et de

leur retrait.

3.1.1. Résistance mécanique

L’utilisation de fillers dans une formulation de béton génère une accélération de sa résistance

mécanique aux jeunes âges [31]. Les particules fines du filler, lorsqu’elles sont bien défloculées

par les superplastifiants, favorisent l’hydratation du ciment, principalement par un effet physique,

et conduisent à une matrice cimentaire dont la structure est plus dense. Ces effets ont une

influence sensible sur la résistance mécanique jusqu’à 28 jours puis deviennent moins

significatifs par la suite.

Différentes données ont été publiées [32, 33] sur l’évolution de la résistance mécanique des BAP

contenant des fillers calcaires comparée à celle des bétons vibrés et soutiennent les affirmations

précédentes (voir figure 14).

Page 44: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

43

Figure 14 - Evolution de la résistance mécanique d’un BAP (SCC) et d’un BV (REF)

Correspondant

De plus, certains auteurs [34] affirment que cette augmentation de résistance est d’autant plus

marquée pour les BAP que la finesse du filler (exprimée en valeur Blaine) est grande . Cet effet

tend lui aussi à s’annuler au-delà de 28 jours.

Le dosage plus ou moins important en adjuvants dans les formulations de BAP peut aussi avoir

une influence sur l’évolution de la résistance mécanique du béton.

Ainsi, l’introduction d’un agent de viscosité peut diminuer sensiblement la résistance mécanique

d’un BAP aux jeunes âges [35].

De même, certains superplastifiants utilisés pour contrôler la fluidité des formulations ont pour

effets secondaires de retarder le temps de prise et d’augmenter le développement de la résistance

mécanique [36]. Etant donné la défloculation du liant hydraulique qu’ils engendrent, leur dosage

important dans les BAP conduit à considérer que ceux-ci seront plus résistants que des bétons

vibrés supposés similaires au départ.

4. Conclusion

Dans ce chapitre , on a présenté quelques méthodes de formulations et les caractéristiques des

BAP à l’état frais avec les différents essais utilisés , afin de remplir ces conditions , nous avons

consacré le chapitre 03 à la caractérisation des matériaux utilisés dans cette étude.

Page 45: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

44

CHAPITRE III

MATERIAUX ET PROCEDURES

Page 46: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

45

INTRODUCTION

Dans cette étude, nous présentons les résultats d’une étude expérimentale portant sur l’évaluation

des effets de dosage des laitiers granulés de hauts fourneaux sur les propriétés physico -

mécaniques des bétons autoplacants.

Tout d’abord, on a commencé par la formulation d’un béton ordinaire (un béton témoin dosé à

350 Kg/m3 de ciment), puis on a optimisé le pourcentage de superplastifiant à ajouter au béton

pour obtenir un BAP de caractéristiques requises.

Pour l’amélioration des propriétés physiques et mécaniques des BAP, l’utilisation des additions

minérales dans les bétons comme substitut du ciment ou comme ajout a des avantages divers,

parmi les matériaux les plus utilisés, les laitier granulé de hauts fourneaux , dans ce but on a

d’abord substitué 50 (kg / m3 de béton) de ciment par le laitier et ensuite ajouté respectivement

50 et 100 (kg / m3 de béton) de laitier au béton autoplacant, et chercher l’influence de ce dernier

sur l’ouvrabilité et la résistance à la compression de BAP .

Les laitiers granulés ajoutés sont obtenus après le broyage fin (<80 μm).

Tous les essais menés au cours de cette étude ont été effectués sur béton , les premiers

concernant l’étude de propriétés à l’état frais , en particulier celles des BAP , afin d’estimer leur

fluidité et leur ségrégation dynamique et statique ( essais d’étalement au cône , la boite en L , et

de la stabilité au tamis ) ensuite , l’essai de résistance a la compression a été effectué pour

évaluer une des propriétés mécaniques essentielles.

1 MATERIAUX

1.1. Ciment

Le ciment utilisé est un ciment CPJ CEM II/A de classe 42.5 provenant de la cimenterie de

TEBESSA (EL-MALABIOD), sa surface spécifique Blaine de 3560 cm2/g

La composition chimique (% en masse) du ciment est donnée dans le tableau 3

Tableau 3 - Composition chimique du ciment CPJ 42.5 TEBESSA (en %)

PAF

975C°

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO K2O Na2O SO3 Rl CaO

libre

Cl-

2.00 58.00 25.50 6.25 3.00 1.35 0.45 0.12 2.44 4.60 1.12 0.01

Tableau 4 - Composition minéralogique du clinker (en %) C3A C3S C2S C4AF

CPJ 42.5 9.2 63.07 9.92 8.23

Page 47: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

46

Tableau 5 - caractéristiques physique du ciment CPJ 42.5 Tébessa

Caractéristiques Valeurs Unités - Consistance Normale - Début de prise - Fin de prise - Expansion A chaud - masse volumique absolue - masse volumique apparente - Refus au tamis 45μ - Retrait sur mortier μm/m

27 150 270 1.1 3.1

1 18

≤ 1000

% min min %

g/cm3

g/cm3 %

µm/m

1.2. Granulats :

Les granulats utilisés ( Fraction 3/8 , 8/15 ) sont des granulats à granulométrie continue (Figure

15), provenant de carrière de l’établissement national des graviers ( ENG Tébessa) et un sable

roulé 0/5 provenant de sablière de OUM ALI ( KOUDIA) W de TEBESSA NF.P 18-560 [37] .

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

D i a m è t r e d e s T a m i s en m m

T a

m i

s a

t s

en %

S a b l e 0 / 5

G r a v i e r 8 / 15

G r a v i e r 3 / 8

Figure 15 - les courbes granulométriques des gravillons et sable

Des essais de caractérisation ont été effectués sur les granulats

- analyse granulométrique

- équivalant de sable

- détermination des densités apparentes et absolues

0.08 0.16 0.315 0,63 1.25 2.50 5 6,3 8 10 16 20 25 40 50 80

Page 48: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

47

- essais de Los Angeles

- essai de propreté des agrégats

Les résultats obtenus sont portés dans les tableaux ci-après :

Tableau 6 - Essai d’équivalent de sable

Nature de l’échantillon

Poids en g Lecture Résultats En %

ES (%) Observation H1 (cm) H2 (cm)

Sable roulé 0/5

120 11.2 8.9 79.46 76.21

convenable N P18-597

[38] 120 11.5 8.8 76.52 120 11.7 8.5 72.65

Commentaire : sable roulé siliceux avec un module de finesse égale à 2.035 et un équivalant de

sable ES égale 76.21, sable de qualité acceptable qui donne une ouvrabilité satisfaisante, bonne

résistance, risque de ségrégation limité.

Tableau 7 - les résultats de caractérisation des matériaux

Essais Equivalent de propreté %

γapp ( Kg/m3 γ abs( Kg/m

3 LA

Gravier 3/8 1.06 1360 2610 - Gravier 8/15 0.99 1370 2630 30.7

Normes Françaises

≤ 2 - - ≤ 40 P 18-591

[39] NF EN 1097-

[40] NF EN 1097-3

[40] NFP 18-574

[41]

Commentaire : des graviers de nature minéralogique calcaire et un granulométrie continu de

qualité acceptable recommandé pour le béton armé.

1.3. Adjuvant :

L’adjuvant employé est un plastifiant BV 40 réducteur d’eau, conforme à la norme NF EN 934-2,

(de la société SIKA, voir Annexe 1), Sa densité de 1,185, sa teneur en ions chlore est inférieure à

0,1%. Son dosage peut varier de 0,3 à 1% de la masse de ciment selon l’effet souhaité.

1.4. Addition minérale :

Pour la formulation de BAP, on a ajouté le laitier granulé de haut fourneaux, le laitier granulé

d’EL HADJAR se présente sous forme de grains sphériques, de couleur jaune claire (voir figure

16), de structure poreuse et de masse volumique apparente (ρ app) de 1000 kg / m3 et de masse

Page 49: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

48

volumique réelle (ρ abs) de 2800 kg / m3, dans notre étude le laitier granulé a été broyé a l’aide

d’un broyeur a boulets à une finesse exprimée par le diamètre des grains inférieur à 80 µm.

Figure 16 - laitier granulé d’el Hadjar (avant et après le broyage)

2. ESSAIS ET PROCEDURE [AFPC 97]

2.1. Confection des éprouvettes

Le malaxage des bétons a été effectué à l’aide d’un malaxeur de volume de 14 L à cuve

horizontale tournante

La séquence de malaxage retenue a été la suivante [42]

- Préhumidification des granulats secs pendant 10 minutes (avec 3% de la masse sèche

totale des granulats),

- malaxage pendant 30 secondes des constituants (ciment et granulats),

- Introduction de l’eau de gâchage restante (plus une partie éventuelle de l’adjuvant)

puis malaxage pendant 1 minute 30 secondes,

- Introduction de la partie restante de l’adjuvant et malaxage pendant 2 minutes.

La mise en place a été effectuée dans les différents moules destinés aux échantillons

correspondants aux essais programmés, Le béton ordinaire a été mis en place par vibration à

l’aide de table vibrante, Les bétons autoplaçants n’ont subi aucune vibration, ni autre méthode de

compaction.

2.2. Essais effectués sur le béton frais

Trois essais de caractérisation ont été préconisés en l’an 2000 par l’Association Française de

Génie Civil [3]. D’abord provisoires, ces recommandations sont devenues sur site les essais de

référence pour valider une formule de BAP.

Page 50: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

49

• Essai d’étalement : L’essai classique au cône d’Abrams est utilisé pour mesurer un

étalement dont le diamètre est proportionnel au seuil de cisaillement du béton. Il donne donc une

indication sur sa capacité à s’autocompacter en milieu non confiné [3].

• Essai à la boite en L : Lors de l’essai, on remplit d’abord la partie verticale d’une boîte

en forme de L. Après une minute, la trappe est levée permettant l’écoulement à travers trois

armatures de diamètre 14 mm et distantes de 39 mm. Le taux de remplissage final H2/H1

renseigne sur la mobilité du béton en milieu confiné [3].

• Essai de stabilité au tamis : À la fin du malaxage, dix litres de béton sont versés dans

un seau. Après une attente de quinze minutes, une masse 4,8 kg de béton est versée du seau sur

un tamis de maille 5 mm. Deux minutes plus tard, on pèse la quantité de pâte (laitance) ayant

traversé le tamis. Un pourcentage élevé de laitance par rapport à la masse initiale est un

indicateur d’une faible résistance à la ségrégation [3].

Le Tableau donne les valeurs préconisées pour l’obtention d’un BAP [3].

Tableau 8 - Valeurs préconisées pour les essais AFGC

2.3. Confection des éprouvettes :

Apres avoir réalisés les essais sur le béton frais, on a procédé au prélèvement des échantillons

de béton, des moules cylindriques métalliques de dimension 16x32 cm (voir figure 17) enduit

légèrement d’huile ont été utilisés pour préparer les éprouvettes aux essais de compression à 7,

28 jours.

Etalement De 60 cm à 75 cm H2/H1 ≥ 0.8

Laitance ≤ 15%

Page 51: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

50

Figure 17 - préparation des moules pour le coulage du béton

2.4.Mode de mûrissement

Les moules ont été recouverts d’un plastique pour éviter l’évaporation de l’eau, et conservées à

l’air libre pendant 24 heures.

Apres le démoulage, les échantillons sont conservés dans l’eau jusqu’à la date des essais à

température ambiante.

2.5. Essais réalisés sur le béton durci (résistance à la compression) :

L’essai de résistance à la compression simple a été réalisé sur des cylindres de160*360 (mm),

les résultats obtenus à 7, 28 jours proviennent de la moyenne de 3 échantillons.

La presse utilisée pour l’écrasement uniaxial des cylindres est une presse hydraulique de

capacité maximale 2000 KN et pression maximale 649.7 Bar et surface utile du piston 314.159

cm2 avec une énergie élastique 2100 J (voir photo 18 ) .

Figure 18 : la presse utilisée pour l’écrasement

Page 52: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

51

3. Conclusion Dans ce chapitre on a caractérisé les différents matériaux utilisés dans cette étude, et on a

présenté la procédure utilisée pour la confection des éprouvettes.

Le chapitre suivant présente la formulation des bétons d’études.

Page 53: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

52

CHAPITRE IV

FORMULATION ET CARACTERISATION DES BETON D’ETUDE

Page 54: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

53

INTRODUCTION

L’étude de la composition d’un béton consiste à définir le mélange optimal des différents

granulats, du dosage en ciment, d’eau, d’adjuvants, et éventuellement d’additions pour réaliser

un béton dont les qualités sont celles recherchées pour la construction de l’ouvrage.

Quelle que soit la méthode utilisée, la formule de composition proposée ne peut prétendre

correspondre parfaitement au béton désiré, car il n’est pas possible d’appréhender avec précision,

par le calcul, certaines qualités des constituants qui influencent directement la qualité du béton :

forme, angularité, porosité, adhésivité des granulats, fines du sable, finesse de mouture et classe

de résistance vraie du ciment, etc.

C’est pourquoi, comme beaucoup de spécialistes dans la matière, le calcul d’un mélange n’est

qu’une première approche de préparation des mélanges d’essais qui permettront de corriger

expérimentalement la formule calculée pour aboutir au béton désiré.

1. CRITERES EXIGES POUR LA FORMULATION DU BETON

1.1. Dimension maximale des granulats

La dimension maximale du gros granulat que l’on peut utiliser dépend à la fois de la forme et

des dimensions des éléments de béton, ainsi que des quantités et de la disposition des aciers

d’armature. dans notre étude on a utilisé des granulats avec Dmax égale à 15mm selon les

recommandations de L’AFGC [3] pour éviter tous risque de ségrégation et blocage de granulats.

1.2. Résistance

La mise au point d’une formule de béton consiste à rechercher à partir d’un composant donné un

mélange ayant, à I’état frais, une certaine maniabilité, à l’état durci, une résistance en

compression donnée, et ce au moindre coût.

Ce critère de résistance conduira au choix du ciment (nature, classe) et son dosage, ainsi qu’au

dosage en eau et à l’éventuelle utilisation d’adjuvants. Ce critère a également une influence sur

le rapport G/S (proportion gravier / sable). Dans notre étude on a choisi de formuler un béton

d’ouvrage d’une résistance mécanique à la compression égale 30 MPa.

1.3. Ouvrabilité

L’ouvrabilité est une qualité essentielle du béton, elle peut se définir comme la facilité offerte à

la mise en œuvre du béton pour le remplissage parfait du coffrage et du ferraillage, en effet, la

plupart des qualités de l’ouvrage : compacité et résistance réelle du béton dans l’ouvrage lui-

même, enrobage et adhérence des armatures, cohésion du béton entraînant un moindre risque de

Page 55: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

54

ségrégation, parements de belle apparence, étanchéité. C’est pourquoi l’ouvrabilité doit être

considérée par le laboratoire chargé de I’étude d’un béton, comme une qualité aussi importante

que la résistance, il arrive encore trop fréquemment que des formules de composition qui ont

peut être permis en laboratoire la confection de bonnes éprouvettes, doivent être modifiées sur

chantier par défaut d’ouvrabilité qui, risquerait d’entraîner pour le béton dans l’ouvrage un

certain nombre de défauts dont, en particulier, des résistances localement insuffisantes.

L’ouvrabilité est, pour le béton autoplaçant, une qualité fondamentale qui doit être très

sérieusement prise en compte dans l’étude de la composition pour respecter les recommandations

de L’AFGC [3] et obtenir un BAP,on rappelle que pour obtenir un BAP l’étalement doit être

compris entre 60 et 75 cm , le taux de remplissage final H2/H1 renseigne sur la mobilité du béton

en milieu confiné doit être supérieur à 0.8 ,et la laitance renseigne sur la résistance a la

ségrégation doit être inférieur à 15% et pour le béton ordinaire l’affaissement doit indiqué un

béton fluide.

1.4. Agressivité du milieu ambiant

Le milieu ambiant conditionne l’étude de la composition du béton. La présence d’eaux

agressives, les conditions climatiques et thermiques peuvent influencer le choix du type de

ciment, la nature minéralogique des granulats et le rapport E/L (eau/liant).dans notre étude , on a

choisi un ciment CPJ 42.5 ( dont les constituants est 75-94% clinker , 0-6 % gypse , 0-20 %laitier

) qui permet de fabriquer un béton autoplaçant de travaux de toute nature , béton armé ou béton

précontraint , travaux en milieux agressifs …etc.

1.5. Adjuvant (Superplastifiant)

Les différentes études qu’on a présentées, permettent de mettre en avant un principe simple de

formulation pour les BAP : il est nécessaire de réduire les frottements intergranulaires aux

différentes échelles de grains (ciment, sable et granulat). Ainsi, le volume de pâte doit être

augmenté, C’est pourquoi le volume de pâte dans un BAP représente 35 à 45% du volume total,

alors que dans un béton traditionnel il est de 20 à 35%, et qu’un superplastifiant est employé pour

fluidifier la pâte.

L’apparition des bétons autoplaçants est fortement liée aux progrès réalisés dans le domaine des

adjuvants et plus particulièrement celui des superplastifiants (SP).

Les superplastifiants permettent en effet de défloculer les grains de ciment, ils agissent par

répulsion électrostatique en neutralisant les charges électriques présentes à la surface des grains

et/ou par répulsion stérique en écartant les grains les uns des autres, grâce à des chaînes

moléculaires très longues.

Page 56: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

55

L’eau initialement piégée entre les flocs est de nouveau disponible pour l’hydratation ou pour

fluidifier le mélange (Figure 19). Il devient donc possible de fabriquer des bétons très fluides,

même avec moins d’eau qu’il n’en faut habituellement, donc de fabriquer des bétons à faible

rapport E/C (eau/ciment). Faciles à mettre en place [43].

Figure 19 - action des superplastifiants – défloculation des grains de ciment

Les superplastifiants jouent donc un rôle essentiel vis-à-vis de la rhéologie des BAP, mais ce sont

des produits complexes.

D’après Jolicoeur et Simard [44], les interactions ciment/superplastifiant peuvent être vues

comme une réaction entre deux systèmes chimiques polyphasiques.

En effet, les superplastifiants interfèrent avec les interactions entre grains de ciment mais aussi

avec le processus d’hydratation, non seulement, ils peuvent réagir avec le ciment par adsorption

sur les charges négatives, mais ils peuvent également réagir avec les hydrates [44].

Flatt et Houst [45], décomposent l’action d’un superplastifiant lorsqu’il est introduit dans un

mélange selon 3 mécanismes :

- une partie est adsorbée,

- une patrie est consommée par les réactions avec les hydrates,

- une partie, en excès, reste en solution.

Ces auteurs [45] montrent qu’une couche de gel ou de monosulfo-aluminate peut se former

autour du ciment ce qui augmente la surface que doit recouvrir le superplastifiant pour disperser

les grains.

Donc plus le ciment est réactif plus la quantité de polymère à ajouter sera importante.

Différents auteurs [46, 47, 48, ] ont montré que le moment d’introduction du superplastifiant lors

du malaxage joue un rôle sur le dosage à saturation qui est le dosage au dessus duquel l’adjuvant

ne permet plus de modifier de façon significative la rhéologie du mélange .

Si l’introduction est retardée, le dosage à saturation est plus faible, il est obtenu pour une plus

faible quantité de superplastifiant, Ceci est en accord avec ce que nous avons vu, car si

Page 57: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

56

l’hydratation du ciment est amorcée alors la consommation du superplastifiant par les hydrates

sera moins importante [49]. Ainsi, le fait de retarder son introduction, permet au superplastifiant

d’être plus efficace et d’obtenir des mélanges plus fluides que s’il avait été introduit en début de

malaxage, dans notre étude on a utilisé un adjuvant PLASTIMENT BV 40 qui est un plastifiant

réducteur d’eau qui permet d’augmenter considérablement la maniabilité est donc utilisé pour la

confection de pièces élancées et fortement ferraillées.

2. FORMULATION DES BETONS D’ETUDE

La plupart des formules de BAP sont conçues actuellement de manière empirique. La méthode de

Dreux-Gorisse n’est en effet pas adaptée, car elle ne prend en compte ni les adjuvants ni les

additions. La formulation se fait donc sur la base de l’expérience acquise ces dernières années.

La méthode de formulation utilisée pour concevoir les compositions de BAP testées dans cette

étude expérimentale est une méthode empirique basée sur 04 points [3] :

- Le volume de gravillons est limité en prenant un rapport G/S (masse de gravillons sur

masse de sable) proche de 1.

- Le volume de pâte varie entre 330 et 400 l/m3.

- La masse de ciment est supérieure ou égale au minimum requis par la norme du BPE

(P18-305), soit en général de 300 à 350 kg/m3. En complément, la masse d’addition se situe entre

120 et 200 kg/m3.

- Le dosage en superplastifiant est proche de son dosage à saturation (5.38 – 7.2) (Kg/m3)

[8].

Le cahier des charges est celui de l’AFGC [3] ; il ne concerne donc que les propriétés à l’état

frais, comme le veut la pratique actuelle :

- le volume de pâte doit favoriser l’écoulement du béton tout en réduisant le coût en

matières premières de cette formulation.

- Le dosage en adjuvants est calculé afin de limiter la ségrégation et le ressuage, Le

dosage en superplastifiant est déterminé de manière expérimentale à partir d’essais sur béton

frais pour lequel l’étalement doit être compris entre 60 et 75 cm [3].

- en ce qui concerne la formulation du béton ordinaire (témoin) correspondant, leurs

compositions ont été obtenues à partir de celle des BAP en conservant des quantités de ciment et

des proportions granulaires identiques, l’idée est de chercher un béton ordinaire qui contient un

taux des fines élevés , fluide et un rapport G/S proche de 1,et puis ajouter l’adjuvant jusqu’a

Page 58: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

57

l’obtention d’un BAP , nous rappelons qu’on peut pas changer plus d’un paramètre c’est pour

cela on a conservé les même proportions granulaires et le même dosage en ciment .

- la formulation du BAP doit répondre aux critères de résistance mécanique fixé ou

désiré.

Pour notre étude, on a choisis une résistance moyenne proche de 30 MPa caractéristique de type

béton d’ouvrage.

La composition du béton ordinaire étudiée au cours de cette étude est une application d’un

exemple de formulation française (SEDRAN [8]) voir e tableau suivant :

Tableau 9 - composition du béton ordinaire (Kg/m3)

Composition Kg/m3

Ciment Sable 0/5

Gravillons 3/8

Gravillons 8/15

EAU

BO 350 900 556 299 182.6 3. OPTIMISATION DE BAP

Dans le but d’optimiser le BAP, le dosage en superplastifiant est calculé afin de limiter la

ségrégation.

Le dosage en superplastifiant est déterminé de manière expérimentale à partir d’essais sur béton

frais pour lequel l’étalement doit être compris entre 60 et 75 cm., le taux de remplissage

supérieur a 0.8 et une stabilité inférieur à 15 %.

Selon les recommandations de la fiche technique de superplastifiant (voir annexe 1) on a

commencé par un dosage en SP égal à 2.97 Kg/m3, puis on a augmenté le dosage jusqu’à

l’optimisation de BAP (voir Figure 20)

45

50

55

60

65

70

2,97 4,97 6,97 8,97

Dosage de SP (Kg/m3)

Etal

emen

t en

cm

Figure 20 - Evolution de l’étalement en fonction de dosage en superplastifiant

Page 59: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

58

Les résultats montrent que pour un dosage en superplastifiant égal à 8.97 Kg/m3, l’étalement

obtenu égal à 67 cm ce qui répond aux exigences de cahier de charge (étalement doit compris

entre 60 et 75 cm)

Tableau 10 - Composition de béton ordinaire et BAP

Composants Unités Types de béton

BO (1) BAP Ref (2)

Ciment (CPJ 42.5) Kg/m3 350 350

Laitier granulé - -

Sable roulé 0/5 900 900

Graviers 3/8 556 556

Gravier 8/15 299 299

Eau 182.6 182.6

Superplastifiant Kg/m3 - 8.97

E/C - 0.52 0.52

G/S - 0.95 0.95

Affaissement (1)

Etalement (2) cm

20

-

-

67

Les propriétés à l’état frais et durci de chacune des compositions sont données dans le Tableau 11.

Tableau 11 - Propriétés à l’état frais et durci de formulation

Affaissement (1) Etalement (2) (cm)

Ségrégation statique %

Ségrégation dynamique ( L-BOX)

Rc 28 ( Mpa)

BO (1) 20 - - 24 BAP (2) 67 5.1 0.92 30

Plusieurs observations peuvent être faites sur les formulations de BAP et de bétons ordinaire :

• Sur l’étalement de BAP : l’étalement obtenu est 67 cm (voir figure 21) ce qui répond

aux exigences du cahier des charges (étalement doit être entre 60 et 75 cm)] [3].

Sur l’auréole de laitance de BAP : l’auréole de laitance à la périphérie de galette de béton était

absente ou très faible (de 1 à 2 mm). De plus, les gros granulats ont toujours été entraînés

Page 60: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

59

correctement par la matrice cimentaire et ne sont pas restés amoncelés au milieu de galette de

béton.

Figure 21 - Etalement de BAP

• Sur la ségrégation statique de BAP : l’essai de stabilité au tamis permet de calculer un

taux de ségrégation et de déduire si le béton testé possède une stabilité satisfaisante ou non. le

BAP a un taux de ségrégation inférieur à 15% (5.1) (figure 22), synonyme d’une stabilité

correcte [3].

Figure 22 – l’essai de stabilité au tamis

• Sur la ségrégation dynamique de BAP : l’essai de la boîte en L est exploité au travers

du taux de remplissage (rapport des hauteurs de béton en fond et en début de boîte), qui est égale

à 0.92 (figure 23) et qui est supérieur à 0,8 [AFGC 00] [3].

Page 61: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

60

Figure 23 – Essai de la boite en L

• Sur la consistance du béton ordinaire : La classe d’affaissement mesuré indique un

béton très fluide (affaissement égal à 20 cm) [49] (figure 24 ).

Figure 24 – affaissement du béton ordinaire (Cône d’Abrams)

La résistance mécanique en compression est une caractéristique essentielle du matériau béton et

l’un des paramètres fondamentaux de notre étude.

Les valeurs des résistances mécaniques de béton ordinaire et de BAP sont données dans le

tableau 12

Tableau 12 - Evolution des résistances mécaniques

Résistance à la compression

RC (7 jours) MPa

RC (28 jours) MPa

Béton ordinaire 15 24 Béton autoplacant 21 30

Page 62: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

61

On peut noter sur cette figure, que les résistances mécaniques des deux bétons sont différentes

et que leur évolution est quasi similaire. Cependant, il convient de rappeler la différence

essentielle de formulation entre ces deux bétons (l’ajout de supeplastifiant )

4. Conclusion

Après avoir caractériser les matériaux utilisés , nous avons choisi une méthode empirique basée

sur 04 points et le cahier de charge est celui de l’AFGC , dont le but d’optimiser le BAP , le

dosage en superplastifiant a été déterminé de manière expérimentale , les bétons obtenus sont

testés à la compression .

Dans le chapitre suivant, une partie de ciment a été substituée par le laitier granulé micronisé

dont le but et d’étudier l’influence de ce dernier sur les caractéristiques rhéologiques des BAP.

Page 63: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

62

CHAPITRE V

L’INFLUENCE DES ADDITIONS SUR L’OUVRABILITE ET LA

RESISTANCE MECANIQUE A LA COMPRESSION DE BAP

Page 64: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

63

1. L’INFLUENCE DU DOSAGE DE LAITIER GRANULE BROYE SUR

L’OUVRABILITE ET LA RESISTANCE MECANIQUE A LA COMPRESSION DE BAP

Dans le but de chercher l’influence du dosage de laitier granulé sur les caractéristiques des BAP

(ouvrabilité et résistance mécanique à la compression), 03 dosages de laitier granulé broyé dont

50 (kg/m3, en substitution), 100 et 150 (kg/m3 en ajouts) ont été utilisé dont les compositions des

bétons sont présentés dans le tableau 13 :

Tableau 13 - les compositions des BAP testés

Composants Unités Types de béton BAP Ref

(2) BAP50 BAP100 BAP150

CPJ 42.5

Kg/m3

350 300 300 300 Laitier granulé - 50 100 150 Sable roulé 0/5 900 900 900 900

Graviers 3/8 556 556 556 556 Gravier 8/15 299 299 299 299

Eau 182.6 182.6 182.6 182.6 Superplastifiant Kg/m3 8.97 8.97 8.97 8.97

E/(C+L) - 0.52 0.52 0.45 0.4 G/S - 0.95 0.95 0.95 0.95

Etalement cm 67 65 63 62

Les résultats des essais de caractérisation du BAP avec addition de laitier son présentés dans le

tableau 14 :

Tableau 14 - les résultats des propriétés physico-mécaniques des BAP testés avec dosage

différent de laitier granulé broyé

Type de béton

Etalement (cm)

Ségrégation statique

%

Ségrégation dynamique (L-BOX)

σ c 28 (MPa)

BAP 50 65 4.8 0.90 25 BAP 100 63 4.68 0.90 28 BAP 150 62 4.16 0.89 31

2. DISCUSSION DES RESULTATS

Pour les compostions référencées BAP50, BAP100, BAP150, les principaux résultats de Slump

flow , L-Box , stabilité au tamis et résistance mécanique en compression, montrent :

• Sur l’étalement:

Les résultats obtenus montrent que l’ajout du laitier granulé broyé comme addition au BAP à

entraîné une légère diminution de l’ouvrabilité et du seuil de viscosité de la pâte due

Page 65: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

64

vraisemblablement à la finesse de l’addition (Ø< 80µm), alors pour garder une même fluidité et

éviter cette diminution de l’ouvrabilité, on peut augmenter le dosage en superplastifiant jusqu’à

son point de saturation

En effet, on remarque que plus le dosage en laitier granulé augmente, plus l’étalement diminue

(figure 25), cependant la valeur de l’étalement reste dans l’intervalle préconisé par le cahier des

charges (étalement doit être entre 60 et 75 cm).

60

62

64

66

68

0 50 100 150 200Dosage en laitier en kg / m3

Etal

emen

t en

cm

BAP 50

BAP 100

BAP 150

BAP Ref

Figure 25 - Evolution de l'étalement de BAP en fonction de dosage de laitier

• Sur la ségrégation statique de BAP :

L’augmentation du dosage en laitier, conduit à une légère diminution de la ségrégation, par

conséquent une amélioration de la stabilité (figure 26)

4

4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

0 50 100 150 200

Dosage en latier en Kg/m3

Ség

réga

tion

stat

ique

% BAP 50 BAP 100BAP 150BAP Ref

Figure 26 - Evolution de la ségrégation statique (en fonction de dosage de laitier

Granulé broyé

Page 66: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

65

• Sur la ségrégation dynamique de BAP :

Pour l’essai de la boite en L-BOX, on remarque qu’il n’y a pas une grande influence. Pour un

dosage en superplastifiant fixe, la substitution de 50 kg de ciment par la même quantité en laitier

conduit à une légère diminution de la mobilité. L’ajout de 50 kg de laitier n’a aucune influence

sur la ségrégation dynamique. L’augmentation de l’ajout en laitier à 100 Kg conduit à une

diminution peu significative de la mobilité du béton à travers le ferraillage

(BAP50=BAP100=0.9 et BAP150=0.89) (figure 27).

0,88

0,89

0,9

0,91

0,92

0,93

0 50 100 150 200

Dosage en laitier en kg / m3

Ségr

égat

ion

dyna

miq

ue

BAP 50

BAP 100

BAP 150

BAP Ref

Figure 27 - l'évolution de la ségrégation dynamique en fonction de dosage de laitier granulé

broyé

• Sur les résistances mécaniques :

On note une légère diminution de la résistance mécanique en compression dans le cas de la

substitution de 50 kg de ciment par le laitier ce qui est normal pour des échéances courtes de 7 et

28 jours à cause notamment de la cinétique (lente) de durcissement du laitier granulé d’El

Hadjar.

Cependant pour des ajouts de 50 et 100 kg de laitier on observe plutôt une amélioration des

résistances (figure 28) due à plusieurs effets : diminution du rapport eau / liant, effet de

remplissage et effet pouzzolanique.

Page 67: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

66

10

15

20

25

30

35

7 28Temps en jours

Rc(

Mpa

)

BAP Ref

BAP50 Subs

BAP100 ajout

BAP150 ajout

BO

Figure 28 - Influence du laitier sur la résistance des BAP à 7 et 28 jours

Par effet filler ou effet de remplissage : le laitier granulé broyé incorporé dans le béton modifie le

squelette granulaire du mélange, qui peut compenser un déficit en particules fines, le squelette se

trouve alors optimisé par remplissage d’une partie de volume de vide

Par un effet chimique ou pouzzolanique : la réaction chimique entre le silice apporté par le laitier

granulé et la portlandite produite par l’hydratation du ciment conduit a l’accroissement de

résistance par la formation de nouveaux hydrates (CSH) .

Les résultats montrent que l’incorporation du laitier à un effet bénéfique, la résistance commence

à augmenter , par apport à celle de BAP de référence (BAPRef Rc28 = 30 Mpa , BAP150 Rc28 = 31

MPa ) pour un dosage en superplastifiant fixe .

Page 68: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

67

CONCLUSION GENERALE

Page 69: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

68

CONCLUSION GENERALE Les objectifs de ce travail de mémoire, étaient donc d’apporter une contribution .à l’étude des

bétons autoplaçants. Ainsi, nous sommes fixés deux objectifs, le premier est de formuler un

BAP a base de matériaux locaux, le deuxième objectif est d’étudier l’influence de laitier granulé

broyé micronisé comme addition sur les propriétés des BAP et les comparer à celle d’un BAP

de référence sans addition.

La formulation d’un BAP au même titre d’ailleurs que le béton ordinaire doit non seulement

satisfaire un certain nombre de critères nécessaires mais insuffisants pour définir une

composition correcte, car celle – ci dépend de plusieurs paramètres tels que (la nature, la forme,

la granulométrie etc.…) des granulats, paramètres difficiles à prendre en considération lors

d’une approche théorique.

Un autre paramètre intervient avant la détermination du point de saturation de l’adjuvant utilisé

est celui de l’optimisation du dosage en eau qui doit satisfaire deux conditions à priori

contradictoires : l’ouvrabilité maximale qui se traduit par un fort dosage en eau, donc un rapport

E / C élevé et la résistance mécanique qui doit être garantie.

Un troisième paramètre vient s’ajouter à ceux cités précédemment qui consiste à l’incorporation

d’une addition minérale par son caractère hydraulique et son dosage.

La formulation du BAP a été réalisée en premier sans aucune addition, en tenant compte de

certaines recommandations le rapport G /S proche de 1, un dosage en ciment correcte 300 à 350

Kg / m3 de béton, un volume de pâte de 330 à 400 l / m3 de béton permettant d’assurer une bonne

ouvrabilité principalement caractérisée par l’étalement et l’écoulement sans risque de

ségrégation.

Une deuxième formulation du BAP a été réalisée par l’incorporation du laitier granulé micronisé

par substitution (de 50 Kg de ciment) d’abord et par ajout ensuite de 50 et 100 kg. Les résultats

obtenus permettent de mettre en évidence l’effet favorable du laitier granulé micronisé aussi bien

sur les résistances mécaniques que les caractéristiques rhéologiques

Les résultats expérimentaux ont montré que la résistance de BAP de référence étudié est

supérieure à celle d’un béton ordinaire (BO).

Page 70: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

69

Le but était de formuler un BO et un BAP de même proportion granulaire de manière à obtenir

des résistances mécaniques les plus proches possibles, alors le but est atteint, avec un gain

considérable de la résistance à la compression pour le BAP de référence.

Les résultats expérimentaux obtenus (essais Slump flow , L-Box , stabilité au tamis) , ont montré

qu’il y a une légère diminution de l’ouvrabilité des BAP (étalement et ségrégation dynamique) ,

et une amélioration de la stabilité statique ,la finesse de laitier granulé broyé pourrait être

vraisemblablement la cause de cette observation .

La diminution de l’ouvrabilité a été confirmée par les données bibliographiques [17,19,20],

l’ajout de laitier granulé conduit à une diminution de l’ouvrabilité des BAP , car le laitier

granulé adsorbe le superplastifiant par conséquent , le seuil de la viscosité de mélange diminue .

Pour les résistances mécaniques à la compression, les résultats expérimentaux obtenus montrent

que les résistances sont proches à celle de BAP de référence, et une légère augmentation à été

remarquée à partir de dosage de laitier de 150 Kg/m3, cela est liée aux effets du laitier qu’on peut

considérer comme une addition minérale chimiquement active et à la baisse de rapport eau / liant

équivalent (E/L équi).

Ces résultats obtenus sont confirmés par les données bibliographique)[31.32.33]. qui ont montré

que l’ajout de laitier granulé broyé au béton conduit à une résistance similaire et parfois

légèrement supérieure .

Notre étude avait pour objectifs de répondre à deux questions principales, possibilité de formuler

des BAP à base des matériaux locaux et l’influence de l’ajout de laitier granulé d’EL HADJAR

(ANNABA) sur les propriétés des BAP.

Les résultats expérimentaux obtenus sont satisfaisants, malgré la légère diminution de

l’ouvrabilité, on rappelle que ces résultats répondent aux critères exigées par L’AFGC 2000)[3].

L’industrie du ciments est l’une des principales activités de développement socioéconomique de

notre pays , l’Algérie qui a opté pour une politique de construction en génie civil de grande

envergure a besoin d’une consommation accrue en ciment ; mais constatons que malgré les

efforts consentis par les entreprises productrices de ciment , l’offre reste inférieur a la demande ,

les résultats obtenus dans cette étude , montrent que l’utilisation des ressources locales et la

substitution d’une partie de ciment par le laitier granulé d’EL HADJAR a des avantages sur le

comportement des BAP notamment la résistance a la compression , qui encourage la valorisation

de ce déchet dans le béton et augmenter son dosage jusqu’a 200 voir 250 Kg/m3 ce qui permettra

une nouvelle voie sur la valorisation de déchets industrielles locaux dans le contexte de la

protection de l’environnement et du développement durable.

Page 71: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

70

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] OKAMURA H.ET AL, “self-compacting high performance concrete” Proceeding of the fifth sec vol.3, pp.2381-2388, 1995. [2] OKAMURA ET OUCHI, Self-compacting concrete, Journal of advanced Concrete Technology, 2003, vol 1, n°1, pp 5-15. [3] Association française de Génie Civil (AFGC), Bétons Auto-Plaçants Recommandations provisoires, juillet 2002, 63 pages. [4] Fédération française du béton (FFB), Recommandations de mise en oeuvre des BAP et des BAN, SEBTP, édition 2003 [5] Projet National BAP, Aide à la rédaction de cahier des charges Techniques pour le Bétons autoplaçants (BAP), Mars 2005. [6] TURCRY, Retrait et fissuration des bétons autoplaçants - influence de la Formulation, Thèse de doctorat de l’Ecole centrale de Nantes, 2004, 213 pages. [7] WALRAVEN, Structural aspect of self-compacting concrete, Proceedings of the third international RILEM conference on SCC, août 2003, Reykjavik, Islande, pp 15-22. [8] SEDRAN T . « les bétons autonivelants – synthèse bibliographique », Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, N○ 196 p53-60 Mars-Avril 1995. [9] Projet National BAP, Impacts socio-économiques, rapport de synthèse du groupe D, 39 pages. [10] Synthèse des travaux du projet national BHP 2000 sur les bétons Hautes performances, Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, n°298. [11] OKAMURA H. and OUCHI M.,“Self-compacting concrete. Development, present and future”, Proceedings of First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete (PRO 7), Stockholm, Suède, pp. 3-14, 13-15 septembre 1999. [12] HAYAKAWA M., MATSUOKA Y. and YOKOTA K., “Application of superworkable concrete in the construction of 70-story building in Japan”, Second CANMET/ACI on advances in concrete technology, Las Vegas, ACI 154-20, pp. 381- 397, 1995. [13] NAGATAKI S. and FUJIWARA H., “Self compacting property of highly flowable concrete”, Second CANMET/ACI on advances in concrete technology, Las Vegas, ACI 154-20, pp. 301-314, 1995. [14] PETERSSON Ö., BILLBERG P. and VAN B.K.,“A model for Self-Compacting Concrete”, International Rilem Conference on ‘Production methods and workability of concrete’, RILE Proceedings 32, 1996.

Page 72: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

71

[15] Association Française de Génie Civil, « Bétons autoplaçants - Recommandations provisoires », Annales du bâtiment et des travaux publics, juin 2000. [16] BARON J. et OLLIVIER J.P., « Les Bétons – Bases et données pour Leur formulation », editions Eyrolles, 1996. [17] PARK, NOH, Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures, Cement and concrete research, 2005, vol 35, pp 842-849. [18] FERRARIS, OBLA et AL, Influence of mineral admixtures on the rheology of cement paste and concrete, Cement and concrete research, 2001, vol 31, pp245-255. [19] SHI and AL., A study of effect of superfine powders on fluidity of cement paste, Transactions of the Japan Concrete Institute, 1998, vol 20, pp 9-14. [20] CARlSWARD et AL., Effect of constituents on the workability and rheology of selfcompacting concrete, Proceedings of the third international RILEM conference on SCC, août 2003, Reykjavik, Islande, pp 143-153. [21] ZHU et GIBBS, Use of different limestone and chalk powders in self-Compacting concrete, Cement and concrete research, 2005, vol 35, pp1457-1462. [22] ALEXANDRE L. et SEBILEAU J L., « Le laitier de haut fourneau », édité par le

centre technique et de promotion des laitiers, 1988, 340 p. [23] Document technique de la direction de la recherche appliquée (DRA) du complexe

sidérurgique d'EL HADJAR, 1989. [24] BEHIM M., « utilisation du laitier de haut fourneau d’El Hadjar en cimenterie », Thèse

de Magister, Université d’Annaba – Algérie, 1987, pp 118. [25] MENADI S., « Contribution à l'étude des caractéristiques mécaniques des bétons de

laitier », thèse de magister, université d'Annaba, département de génie civil, 1994 [26] GUETTECHE N., « Valorisation des laitiers dans les ciments et les bétons », thèse d'état, université de Constantine, département de génie civil, 2002. [27] [AFPC 97] AFPC-AFREM, « Méthodes recommandées pour la mesure des grandeurs associées à la durabilité », Compte-rendu des journées techniques AFPC-AFREM « Durabilité des bétons », Toulouse, 1997. [28] DE LARRAD F.et AL « prévision de la compacité des mélanges Granulaires le model de suspension solide n°1-fondements théoriques et calibration du model », Bulletin du laboratoire central des ponts et Chaussées n° 194, Nov-Dec 1994.

Page 73: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

72

[29] JIN, Properties of mortar for self-compacting concrete, PhD thesis de l’université de Londres, 2002, 398 pages. [30] DE LARRARD F. et LE ROY R., « Relation entre formulation et Quelques propriétés mécaniques des bétons à hautes performances » Matériaux et Constructions, 25, pp. 464- 475, 1992. [31] PERA J., HUSSON S. and GUILHOT B., “Influence of finely ground limestone on cement hydration”, Cement and Concrete Composites, pp. 99-105, 1999. [32] GIBBS J.C. and ZHU W., “Strength of hardened self-compacting concrete”, Proceedings of First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete (PRO 7), Stockholm, Suède, pp. 199-209, 13-15 septembre 1999. [33] SONEBI M. and BARTOS P.J.M., “ Hardened SCC and its bond with reinforcement ”, Proceeding of First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete (PRO 7), Stockholm, Sweden, pp. 275-289, 13-15 septembre 1999. [34] PETERSSON Ö., “Limestone powder as filler in self-compacting concrete – Frost resistance and compressive strength”, Proceedings of 2nd International Symposium on Self-Compacting Concrete, Tokyo, Japon, pp. 277-284, 23-25 octobre 2001. [35] FELEKOGLU B., YARDIMCI M. Y. and BARADAN B., “A Comparative study on the use of mineral and chemical types of viscosity enhancers in self-compacting concrete”, Proceedings of 3rd International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete (PRO 33), Reykjavik, Iceland, pp. 446-456, 17-20 août 2003. [36] SHI C., WU Y., SHAO Y. and RIEFLER M., “Comparison of two Design approaches for self-consolidating concrete”, First North American Conference on the Design and Use of Self-Consolidating Concrete, ACBM center, pp. 349-354, 12-13 novembre 2002. [37] Norme Française NF .P 18-560. « Analyse granulométrique » [38] Norme Française P. 18-597 « Propreté des granulats fins » [39] Norme Française P. 18-591 « Propreté des gros granulats » [40] Norme Française NF.EN 1097-3. « Masse volumique » [41] Norme Française NFP 18-574. Dureté des granulats » [42] Laetitia D’aloia Schwartzentruber et al., Rheological behaviour of fresh cement pastes formulated from a self-compacting concrete (SCC), Cement and concrete research, (à paraître). [43] AITCIN et AL., L’interaction ciment / superplastifiant. Cas de polysulfonates, Bulletin des laboratoires des Ponts et Chaussées Juillet Août 2001, n° 233, pp 87-98.

Page 74: Contribution a la formulation d'un béton autoplaçant à base de ...

73

[44] JOLICOLEUR et SIMARD, Chemical admixture-Cement interactions: Phenomenology and physicso-chemical concepts, Cement and Concrete Research, 1998, vol 20, pp 87- 101. [45] FLATT et HOUST, A simplified view on chemical effects perturbing the action of superplasticizer, Cement and Concrete Research, 2001, vol 31, pp 1169-1176. [46] JIN, Properties of mortar for self-compacting concrete, PhD thesis, London University, 2002, 398 pages. [47] SUGAAMATA, et AL., A study of particle dispersion effect polycarboxylate-based superplasticizers, Transactions of the Japan Concrete Institute, 1999, vol 21, pp 7-14. [48] BURY, CHRISTENSEN, The role of innovative chemical admixtures in producing selfconsolidating concrete, Proceedings of the first North American conference on the design and use of self-consolidating concrete, 12-13 Novembre 2002, Chicago, pp 141- 146. [49] Norme Française NF.P 18-451. « béton frais essais d’affaissement au cône »1981.

[50] Cours structuration et hydratation des ciments post-graduation 2006 M BEHIM université d’annaba