Evaluation des paramètres d'obtention de la qualité des ...

03 ISAL 0030 Année 2003

Evaluation des paramètres d’obtention de la qualité

des bétons projetés utilisés dans des soutènements provisoires, des revêtements définitifs et des renforcements d’ouvrages

THESE

Présentée devant

L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Pour obtenir le grade de docteur

École doctorale MEGA (Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique)

Spécialité Génie Civil (Sols, Matériaux, Structures, Physique du bâtiment)

Par Sylvie GéRôMEY

le 18 juillet 2003

devant le Jury : Messieurs et Madame

Directeurs de thèse : Pierre ROSSI Richard KASTNER Rapporteurs Marc JOLIN Gilles CHANVILLARD Examinateurs Catherine LARIVE Patrice HAMELIN Invité Alain MAGUET

Sommaire

Evaluation des paramètres d’obtention de la qualité des bétons projetés utilisés dans des soutènements provisoires, des revêtements définitifs, des réparations ou des renforcements d’ouvrages - 3 -

« Nous sommes six milliards de bipèdes à tenir miraculeusement debout sur de fragiles petits pieds, en équilibre sur une boule de magma en fusion. Un véritable numéro de cirque ! » Professeur Choron , Extrait de Tout s'éclaire !

Sommaire SOMMAIRE............................................................................................................................. 3

REMERCIEMENTS….......................................................................................................... 10

RESUME................................................................................................................................. 12

ABSTRACT ............................................................................................................................ 12

GLOSSAIRE........................................................................................................................... 13

INTRODUCTION.................................................................................................................. 16 PROBLEMATIQUE................................................................................................................... 16 PISTE DE REFLEXION.............................................................................................................. 17 STRUCTURE DU MEMOIRE DE THESE ...................................................................................... 17

CHAPITRE 1 SPECIFICITES DU BETON PROJETE PAR RAPPORT AU BETON COULE 19

1.1 QUELQUES GENERALITES SUR LE BETON PROJETE ..................................................... 19 1.2 AVANTAGES DE LA PROJECTION ................................................................................ 20

1.2.1 Coffrage............................................................................................................ 20 1.2.2 Zone à traiter.................................................................................................... 21 1.2.3 Adhérence au support et résistance du béton projeté ...................................... 21 1.2.4 Coût .................................................................................................................. 22

1.3 INCONVENIENTS DE LA PROJECTION .......................................................................... 25 1.3.1 Pertes................................................................................................................ 25 1.3.2 Contrôle des épaisseurs ................................................................................... 25 1.3.3 Formulation...................................................................................................... 25 1.3.4 Etude du matériau ............................................................................................ 26

1.4 MISE EN ŒUVRE DU BETON PAR COULAGE................................................................. 26 1.5 CONNAISSANCES SUR LES BETONS PROJETES : TRANSFERT DES EVOLUTIONS TECHNIQUES DES BETONS COULES ......................................................................................... 27

1.5.1 Fibres métalliques ............................................................................................ 27 1.5.2 Fumée de silice................................................................................................. 27 1.5.3 Agents entraîneurs d’air................................................................................... 28 1.5.4 Bétons réfractaires ........................................................................................... 28

1.6 PERFORMANCES DES BETONS PROJETES..................................................................... 28 1.7 UTILISATIONS SPECIFIQUES DES BETONS PROJETES.................................................... 29

1.7.1 Domaines d’emploi des bétons projetés........................................................... 29 1.7.2 Utilisations spécifiques de la projection par voie sèche .................................. 29 1.7.3 Utilisations spécifiques de la projection par voie mouillée ............................. 31

1.8 RESUME : SPECIFICITES DU BETON PROJETE PAR RAPPORT AU BETON COULE ............ 33

CHAPITRE 2 FORMULATION DES BETONS PROJETES – INFLUENCE DES PRINCIPES TECHNOLOGIQUES (MATERIEL, FONCTIONNEMENT, PROJECTION) 35

2.1 PASSAGE DANS LA MACHINE ..................................................................................... 35 2.2 TRANSFERT DANS LE TUYAU (METALLIQUE OU EN GOMME) ...................................... 36

Sommaire


2.2.1 Voie sèche......................................................................................................... 36 2.2.2 Voie mouillée.................................................................................................... 37

2.3 PASSAGE A LA LANCE................................................................................................ 38 2.3.1 Voie mouillée.................................................................................................... 38 2.3.2 Voie sèche......................................................................................................... 39

2.4 PROJECTION DANS UN FLUX D’AIR............................................................................. 39 2.5 ARRANGEMENT DU BETON SUR LE SUPPORT .............................................................. 41

2.5.1 Voie sèche......................................................................................................... 41 2.5.2 Voie mouillée.................................................................................................... 42

2.6 CONCLUSION : INFLUENCE DES PRINCIPES TECHNOLOGIQUES SUR LA FORMULATION DES BETONS PROJETES ........................................................................................................... 43

CHAPITRE 3 FORMULATION DES BETONS PROJETES – GENERALITES – 44 3.1 EXIGENCES SUR LA QUALITE DU BETON PROJETE....................................................... 44 3.2 METHODES DE FORMULATION DES BETONS PROJETES PRATIQUEES EN FRANCE......... 44

3.2.1 Recommandations de la norme 95-102 (qui se basent sur les recommandations publiées par l’AFB puis l’AFTES) ................................................................................... 45 3.2.2 Méthode ABROTEC développée par Resse dans les années 1980................... 45 3.2.3 Utilisation d’une composition ayant déjà donné satisfaction .......................... 45

3.3 PARAMETRES PRIS EN COMPTE DANS CES METHODES ................................................ 46 3.3.1 Granulats.......................................................................................................... 46 3.3.2 Granulométrie .................................................................................................. 47 3.3.3 Diamètre du plus gros granulat ....................................................................... 48 3.3.4 Pourcentage de fines (éléments inférieurs à 80 µm)........................................ 48 3.3.5 Qualité du ciment ............................................................................................. 49 3.3.6 Dosage en ciment ............................................................................................. 49 3.3.7 Humidité des granulats ou la préhumidification.............................................. 50 3.3.8 Teneur en eau ................................................................................................... 51 3.3.9 Adjuvants et ajouts ........................................................................................... 51

3.4 CAS DE L’EMPLOI DES FIBRES ET/OU DES ARMATURES OU TREILLIS........................... 52 3.4.1 Renforcement des bétons projetés .................................................................... 52 3.4.2 Rôle des différents types de fibres .................................................................... 52 3.4.3 Insertion dans la technologie de projection..................................................... 54 3.4.4 Méthode de formulation des bétons coulés ...................................................... 55 3.4.5 Méthode de formulation des bétons projetés.................................................... 56 3.4.6 Conclusion sur l’emploi des fibres................................................................... 57

3.5 COMPARAISON DES COMPOSITIONS AVEC LES BETONS COULES ................................. 57 3.6 CONCLUSION : FORMULATION DES BETONS PROJETES ............................................... 58

CHAPITRE 4 CONCEPTION DES EXPERIMENTATIONS : VOIE MOUILLEE (CEVEM) ET VOIE SECHE (CEVES) ............................................................................... 59

4.1 OBJECTIFS ................................................................................................................. 59 4.1.1 Qualités des informations recueillies ............................................................... 59 4.1.2 Etudes des bétons projetés ............................................................................... 60 4.1.3 Objet de l’étude ................................................................................................ 61

4.2 ART DE LA PROJECTION ET REGLES COMMUNEMENT ADMISES................................... 62 4.2.1 Qualité du béton projeté................................................................................... 62 4.2.2 Expérience de l’ouvrier de projection.............................................................. 63 4.2.3 Teneur en eau dans le béton............................................................................. 64 4.2.4 Distance lance-paroi ........................................................................................ 65 4.2.5 Méthodologie de projection ............................................................................. 65

Sommaire


4.2.6 Débit d’air ........................................................................................................ 66 4.2.7 Débit d’eau....................................................................................................... 67 4.2.8 Support ............................................................................................................. 67

4.3 PARAMETRES DE FORMULATION ETUDIES (CF ANNEXE 3).......................................... 68 4.3.1 Fibres (cf § 3.4)................................................................................................ 68 4.3.2 Additions........................................................................................................... 69 4.3.3 Granulats concassés......................................................................................... 69 4.3.4 Granulométrie des granulats (cf annexe 1)...................................................... 71

4.4 PARAMETRES DE PROJECTION ETUDIES...................................................................... 72 4.4.1 Débit d’air introduit dans les machines à projeter par voie sèche.................. 72 4.4.2 Préhumidification du mélange sec avant introduction en machine ................. 73 4.4.3 Prémouillagedu mélange à la lance................................................................. 74 4.4.4 Compétence de l’ouvrier porte-lance............................................................... 74 4.4.5 Emploi d’un raidisseur ou d’un accélérateur de prise et son dosage.............. 74 4.4.6 Débit de béton en sortie de machineà projeter par voie mouillée ................... 75

4.5 BILAN DES PARAMETRES TESTES ............................................................................... 75 4.6 ESSAIS REALISES SUR LES MELANGES ET LES BETONS ETUDIES (CF TABLEAU10 ET 11) 77

4.6.1 Mesures in-situ caractérisant les mélanges à projeter par voie mouillée ....... 77 4.6.2 Mesures in-situ caractérisant les mélanges à projeter par voie sèche ............ 78 4.6.3 Essais de caractérisation en laboratoire du mélange à projeter par voie mouillée 78 4.6.4 Essais de caractérisation en laboratoire du mélange à projeter par voie sèche 79 4.6.5 Essais de caractérisation de la projection ....................................................... 82 4.6.6 Caractérisation de la structure des bétons projetés durcis.............................. 85 4.6.7 Mesure de la résistance des bétons projetés durcis ......................................... 86 4.6.8 Evaluation du comportement sous contrainte des bétons projetés durcis ....... 87 4.6.9 Evaluation de la durabillité des bétons projetés.............................................. 88

4.7 CONCLUSION : BETONS EXPERIMENTES .................................................................... 89

CHAPITRE 5 BETONS TESTES AU COURS DES CAMPAGNES EXPERIMENTALES ............................................................................................................ 91

5.1 CONSTITUANTS UTILISES LORS DES DEUX CAMPAGNES (CF ANNEXE 1) ..................... 91 5.1.1 Granulats.......................................................................................................... 91 5.1.2 Ciment .............................................................................................................. 91 5.1.3 Eau ................................................................................................................... 91 5.1.4 Adjuvants.......................................................................................................... 92

5.2 COMPOSITIONS THEORIQUES DES MELANGES A PROJETER PAR VOIE SECHE (CF ANNEXE 4) 92

5.2.1 Granulométrie du mélange granulaire (C1 à C4) ........................................... 92 5.2.2 Quantité de fines de taille inférieure à 80 µm (C0, C1, C14, C18) ................. 95 5.2.3 Gravillons concassés (CN)............................................................................... 95 5.2.4 Mélange prêt-à-l’emploi .................................................................................. 97 5.2.5 Composition théorique des mélanges à projeter par voie sèche...................... 97

5.3 COMPOSITIONS THEORIQUES DES MELANGES A PROJETER PAR VOIE MOUILLEE (CF ANNEXE 4)............................................................................................................................. 98 5.4 CONDITIONS DE REALISATION DES CAMPAGNES EXPERIMENTALES ........................... 99

5.4.1 Technologie de la projection (cf annexe 2) ...................................................... 99

Sommaire


5.4.2 Conditions d’exécution des campagnes expérimentales (cf photographies en annexe 28) ...................................................................................................................... 100 5.4.3 Composition réelle des mélanges à projeter par voie mouillée ..................... 102 5.4.4 Composition réelle des mélanges à projeter par voie sèche.......................... 102

5.5 ECHANTILLONS DE BETON RECUEILLIS .................................................................... 103 5.6 CONCLUSION : COMPOSITION DES BETONS TESTES.................................................. 104

CHAPITRE 6 CARACTERISTIQUES DES BETONS PROJETES DURANT LES CAMPAGNES CEVEM ET CEVES.................................................................................. 105

6.1 CARACTERISTIQUES DES MELANGES A PROJETER PAR VOIE SECHE .......................... 106 6.1.1 Mesures effectuées in-situ .............................................................................. 106 6.1.2 Mesures effectuées en laboratoire (cf annexe 11).......................................... 107

6.2 CARACTERISTIQUES MESUREES SUR LES MELANGES A PROJETER PAR VOIE MOUILLEE 109

6.2.1 Mesures effectuées in-situ (cf annexe 10) ..................................................... 109 6.2.2 Relation entre consistance des mélanges et composition............................... 111 6.2.3 Mesures effectuées en laboratoire (cf annexe 10).......................................... 112

6.3 CARACTERISTIQUES DE LA PROJECTION PAR VOIE SECHE ........................................ 114 6.3.1 Pertes en matériaux (cf résultats en annexe 12) ............................................ 114 6.3.2 Granulométrie des pertes et des bétons (cf courbes en annexes 7 et 12)....... 115 6.3.3 Teneur en eau des bétons en place (cf résultats en annexe 16) ..................... 115 6.3.4 Pertes en fibres (cf résultats en annexe 12) ................................................... 116 6.3.5 Poussières (cf valeurs en annexe 15) ............................................................. 116

6.4 CARACTERISTIQUES MESUREES LORS DE LA PROJECTION PAR VOIE MOUILLEE ........ 118 6.4.1 Pertes en matériaux (cf résultats en annexe 12) ............................................ 118 6.4.2 Granulométrie des bétons (cf annexe 5) ........................................................ 118 6.4.3 Pertes en fibres (cf annexe 12)....................................................................... 118 6.4.4 Pression due au passage du béton dans les tuyaux de transfert (annexe 13) 119 6.4.5 Epaisseur projetable maximale (cf annexe 14) .............................................. 120

6.5 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES BETONS EN PLACE ....................................... 121 6.5.1 Résistance en compression des bétons projetés par voie sèche (annexe 17) . 121 6.5.2 Résistance en compression des bétons projetés par voie mouillée (cf annexe 17) 122 6.5.3 Module d’Young (cf annexe 18) ..................................................................... 122 6.5.4 Coefficient de Poisson.................................................................................... 125 6.5.5 Résistance en traction par fendage sur béton non fibré (cf annexe 19)......... 125 6.5.6 Résistance au poinçonnement--flexion d’un béton projeté (cf annexe 20) .... 127 6.5.7 Résistance au poinçonnement-flexion d’un béton coulé n’ayant pu être projeté (à titre informatif)........................................................................................................... 130

6.6 CARACTERISTIQUES LIEES AU COMPORTEMENT DIFFERE DES BETONS PROJETES DURCIS 130

6.6.1 Retrait (cf annexe 22)..................................................................................... 131 6.6.2 Fluage (cf annexe 23)..................................................................................... 132

6.7 CARACTERISTIQUES LIEES A LA DURABILITE DES BETONS PROJETES DURCIS ........... 134 6.7.1 Porosité totale des bétons projetés (cf annexe 21)......................................... 134 6.7.2 Qualification de la structure poreuse des bétons projetés (cf annexe 21) ..... 135 6.7.3 Résistance au feu des bétons - généralités ..................................................... 138 6.7.4 Couleur des bétons projetés après traitement thermique............................... 141 6.7.5 Tenue au feu des bétons projetés – mesures et résultats (cf annexe 25)........ 144 6.7.6 Gel et dégel (cf annexe 26)............................................................................. 152

Sommaire


6.7.7 Alcali-réaction (cf annexe 27)........................................................................ 156 6.7.8 Profondeur de carbonatation ......................................................................... 160

6.8 CONCLUSION : CARACTERISTIQUES DES BETONS PROJETES TESTES ......................... 161

CHAPITRE 7 INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES SUR LA PROJECTION DES MELANGES ET LES PERFORMANCES MECANIQUES DES BETONS DURCIS ............................................................................................................... 164

7.1 INFLUENCE DES PARAMETRES DE FORMULATION SUR LA PROJECTION DES MELANGES 164

7.1.1 Influence de la consistance des mélanges sur la projection (voie mouillée) . 164 7.1.2 Influence de la granulométrie du mélange sur la projection par voie mouillée 165 7.1.3 Influence de la granulométrie du mélange sur la projection par voie sèche . 166 7.1.4 Influence de l’emploi de fumée de silice sur la projection par voie mouillée 169 7.1.5 Influence de l’emploi de granulats concassés sur la projection par voie mouillée 169 7.1.6 Influence de l’emploi de granulats concassés sur la projection par voie sèche 169 7.1.7 Influence de l’emploi de fibres sur la projection par voie mouillée .............. 170 7.1.8 Influence de l’emploi de fibres sur la projection par voie sèche ................... 171

7.2 INFLUENCE DES PARAMETRES DE PROJECTION SUR LA PROJECTION DES MELANGES 172 7.2.1 Influence du porte-lance sur la projection..................................................... 172 7.2.2 Influence de la préhumidification et du prémouillage sur la projection (voie sèche) 172 7.2.3 Influence du débit d’air à la machine sur la projection (voie sèche) ............ 174

7.3 PERFORMANCES MECANIQUES DES BETONS PROJETES DURCIS................................. 175 7.4 INFLUENCE DES PARAMETRES DE FORMULATION SUR LES PERFORMANCES DES BETONS 175

7.4.1 Influence des paramètres de formulation et de projection sur la porosité .... 175 7.4.2 Influence de la consistance des bétons projetés (projection par voie mouillée) sur les performances des bétons durcis.......................................................................... 176 7.4.3 Influence de la granulométrie du mélange sur les caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie mouillée (cf annexe 17-18 et 20) ...................................... 176 7.4.4 Influence de la granulométrie du mélange sur les caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie sèche (cf annexe 17-18 et 20) ........................................... 177 7.4.5 Influence de l’emploi de fines et de fillers sur les caractéristiques des bétons projetés par voie mouillée .............................................................................................. 177 7.4.6 Influence de l’emploi de fines et de fillers sur les caractéristiques des bétons projetés par voie mouillée .............................................................................................. 177 7.4.7 Influence de l’emploi de granulats concassés sur les caractéristiques des bétons projetés par voie mouillée (cf annexes 17 et 18) ................................................ 178 7.4.8 Influence de l’emploi de granulats concassés sur les caractéristiques des bétons projetés par voie sèche (cf annexes 17 et 18) ..................................................... 178 7.4.9 Influence de l’emploi de fibres sur les caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie mouillée .............................................................................................. 178 7.4.10 Influence de l’emploi de fibres sur les caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie sèche................................................................................................... 179

7.5 INFLUENCE DES PARAMETRES DE PROJECTION SUR LES PERFORMANCES MECANIQUES DES BETONS......................................................................................................................... 180

7.5.1 Reproductibilité des valeurs (projection par voie mouillée).......................... 180

Sommaire


7.5.2 Influence de l’ouvrier de projection (projection par voie mouillée) sur les caractéristiques des bétons durcis ................................................................................. 181 7.5.3 Influence du fluidifiant (projection par voie mouillée) sur les caractéristiques des bétons durcis ............................................................................................................ 182 7.5.4 Influence du type et du dosage en accélérateur (projection par voie mouillée) sur les caractéristiques des bétons durcis...................................................................... 183 7.5.5 Influence du débit de béton à la machine (par voie mouillée) sur les caractéristiques des bétons durcis ................................................................................. 185 7.5.6 Influence du débit d’air à la machine (projection par voie sèche) sur les caractéristiques des bétons durcis projetés ................................................................... 185 7.5.7 Influence de la préhumidification et du prémouillage (projection par voie sèche) sur les caractéristiques des bétons durcis projetés............................................. 186

7.6 MODULE DES BETONS PROJETES ET DIMENSIONNEMENT D’OUVRAGES.................... 186 7.6.1 Valeurs mesurés ............................................................................................. 186 7.6.2 Dimensionnement : valeurs prise en compte.................................................. 187

7.7 CONCLUSION : INFLUENCE DES PARAMETRES TESTES SUR LA PROJECTION DES MELANGES ET LES PERFORMANCES MECANIQUES DES BETONS ............................................ 188

CHAPITRE 8 OPTIMISATION DES BETONS PROJETES.................................. 191 8.1 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE SECHE (CF ANNEXE 32) SELON DES CRITERES DE FORMULATION ET DE MISE EN OEUVRE ........................................................... 191

8.1.1 Pertes en matériaux........................................................................................ 192 8.1.2 Pertes en fibres............................................................................................... 193

8.2 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE SECHE (CF ANNEXE 32) SELON DES CRITERES DE PERFORMANCES .............................................................................................. 193

8.2.1 Résistance en compression............................................................................. 193 8.2.2 Module d’Young ............................................................................................. 193 8.2.3 Dispersion des résultats ................................................................................. 194 8.2.4 Energie de poinçonnement-flexion................................................................. 194

8.3 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE SECHE (CF ANNEXE 32) - BILAN DE L’OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE SECHE -.................................................... 195 8.4 IMPORTANCE DU SQUELETTE GRANULAIRE D’UN MELANGE PROJETE PAR VOIE SECHE SUR LES PERTES EN MATERIAUX .......................................................................................... 197

8.4.1 Granulométrie des mélanges testés................................................................ 197 8.4.2 Granulométrie des bétons projetés correspondants....................................... 198 8.4.3 Composition du béton en place ...................................................................... 200 8.4.4 Pertes en matériaux........................................................................................ 202 8.4.5 Mélange le plus apte à la projection.............................................................. 203

8.5 IMPORTANCE DE LA TENEUR EN EAU ....................................................................... 204 8.5.1 Incidence de l’eau sur le béton ...................................................................... 205 8.5.2 Préhumidification du mélange ....................................................................... 205 8.5.3 Prémouillage du mélange............................................................................... 206

8.6 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE MOUILLEE (CF ANNEXE 31) SELON DES CRITERE DE FORMULATION ET DE MISE EN OEUVRE ............................................................. 207

8.6.1 Pertes en matériaux........................................................................................ 207 8.6.2 Pertes en fibres............................................................................................... 208

8.7 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE MOUILLEE (CF ANNEXE 31) SELON DES CRITERE DE PERFORMANCES................................................................................................ 208

8.7.1 Résistance en compression............................................................................. 208 8.7.2 Module d’Young ............................................................................................. 208

Sommaire


8.7.3 Dispersion des résultats ................................................................................. 209 8.7.4 Energie de poinçonnement-flexion................................................................. 209

8.8 OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE MOUILLEE (CF ANNEXE 31) - BILAN DE L’OPTIMISATION D’UN BETON PROJETE PAR VOIE MOUILLEE - ............................................. 209 8.9 CHOIX DES FIBRES METALLIQUES ............................................................................ 210 8.10 CONCLUSION : OPTIMISATION DES BETONS PROJETES.............................................. 213

CONCLUSIONS................................................................................................................... 215 CONTEXTE DE LA THESE...................................................................................................... 215 CONTRIBUTION.................................................................................................................... 216 PERSPECTIVES ..................................................................................................................... 219

BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................... 222

Remerciements


Remerciements… Que cette page soit dédiée :

- à toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à l’élaboration de ce document, et que ce soit :

o d’un point de vue « théorique » lors de l’élaboration des campagnes expérimentales,

o sur un plan pratique lors de la réalisation de celles-ci ou plus largement durant ces trois années,

o pour les aides qu’ils ont pu m’apporter personnellement ou par l’intermédiaire de leur réseau,

o pour leurs aides et leurs encouragements, - à mes collègues de travail, qui, en plus de répondre à mes questions professionnelles,

ont contribué à rendre ce moment passé au CETU agréable, - à mes proches, famille ou amis, qui me soutiennent, m’entourent, participent à mon

bonheur et croient en moi. Sans un tel équilibre, il serait difficile de se lever de bonne heure et de bonne humeur chaque matin.

Je tiens à remercier vivement :

- mes deux directeurs de thèse, Messieurs Rossi (BCC - LCPC) et Kastner (URGC - INSA de Lyon), pour leurs conseils et leur disponibilité nécessaire à l’encadrement de cette thèse,

- la direction du CETU, notamment o son directeur, Monsieur Sardin, pour m’avoir fait confiance et m’accueillant

au sein de son établissement et en autorisant le financement d’une partie de cette thèse, pour ces réactions et conseils dans la rédaction de ce rapport,

o Catherine Larive, animatrice du Pôle Matériaux Structures et Vie de l’Ouvrage, pour l’encadrement quotidien de ce travail, pour sa disponibilité et pour ses nombreux conseils,

- l’entreprise Freyssinet par l’intermédiaire de Messieurs Lecinq et Maguet, pour s’être engagé dans ce partenariat en contribuant au financement de cette thèse, pour leur disponibilité permettant de bénéficier de leurs connaissances,

- l’ASQUAPRO, association qui œuvre à améliorer la connaissance des bétons projetés et leur qualité, pour avoir mis à ma disposition leurs documents et leur savoir,

- monsieur Régnard de l’entreprise Vicat pour sa sympathie et pour son aide dans l’organisation et la logistique des campagnes expérimentales,

- messieurs Resse de l’entreprise Abrotec et Clergues de l’entreprise Vicat pour m’avoir conseillé dans la formulation des bétons projetés par voie mouillée,

- les agents du LR de Lyon, section ouvrages d’art, Madame Arnaud et son équipe, pour tout le travail réalisé dans la joie et la bonne humeur malgré l’étendue des essais, pour leur serviabilité,

Merci Thierry, Jojo, Marcel, Gilbert, Jacky et Bernard - la section durabilité du LCPC, et particulièrement Monsieur Laplaud et son adjointe

Aurélie pour avoir réalisé les essais de fluage sur béton projeté avec dévouement, gentillesse et sympathie,

- monsieur Jolin (université laval – Québec) pour ses conseils et nos discussions fructueuses,

- messieurs Jolin et Chanvillard qui ont accepté d’être rapporteurs de ce mémoire, - madame Larive et monsieur Hamelin qui m’ont fait l’honneur d’examiner cette thèse,

Remerciements


- monsieur Kastner, de l’école doctorale MEGA, pour avoir accepté la présidence de la présentation de ce mémoire,

- les agents du CETU et plus précisément la section génie civil pour leur sympathie et leur gaieté,

Merci Dédé, je mettais en place la première campagne expérimentale, un petit homme que je ne connaissais pas m’a dit « Si tu as besoin de moi, je suis là ». Tu m’as secondé durant les deux campagnes... mais aussi dans mon quotidien… notamment les places de parking contre lesquelles je me bats…. Merci Denis, pour tous les dessins qui illustrent ce mémoire, ils sont magnifiques et personnalisent mon travail, mille mercis aussi pour le temps passé à m’aider (tu es expert ès béton projeté maintenant…) mais également pour les tours de vélo (nécessaires, forcément !) et les tartes au citrons. Merci Michel, un PC qui plante le samedi matin à 8h00 et un PC qui marche deux heures après avec en sus du chocolat, c’est magique et ce n’est qu’un petit exemple.

Toute ma sympathie va à Catherine, pour son soutien personnel, immense, bien au-delà du cadre professionnel, bien au-delà de la simple sympathie. Tu t’es rendue aussi disponible que nécessaire et cela a été énorme pour moi. Tu as été, tu es et tu seras toujours très importante pour moi.

- mes parents, mon p’tit frère et ma p’tite belle-sœur, que de chemin parcouru, que de chemin à parcourir… mais quel bonheur,

- mes amis, merci d’être toujours là, - mes P’tits Loups… la P’tite Chouette passe des moments magnifiques avec vous, - le bloc de béton en lévitation quelque part entre Bures-sur-Yvette et Hanches, il m’a

laissé un beau souvenir sur l’arête nasale, une nuit à 4h00 du matin ...

A vous tous, mille mercis…Sylvie

Jean Giraudoux a écrit « Le bonheur est une petite chose que l'on grignote, assis par terre, au soleil » et je suis assez d’accord avec lui.

Résumé


« Pourquoi les hommes gravissent les montagnes ? Parce qu’elles sont là… » George Leigh Mallory

Résumé Le béton projeté est un matériau qui adhère et développe une résistance sur le support sans

nécessiter de coffrage, ce qui le prédispose à des utilisations spécifiques (soutènement

provisoire de tunnels, réparation d'ouvrages).

La technique de projection reste très liée à l'empirisme tout comme la formulation des

mélanges. Des règles existent mais ne permettent pas d'aboutir à une composition garantissant

la qualité du béton en place.

Pour améliorer l'état des connaissances sur le sujet, un programme expérimental a été établi

dans le but d'obtenir des informations sur la projection des mélanges et les caractéristiques des

bétons en place.

Les résultats obtenus sont comparables à ceux de chantiers (conditions de réalisation). Ils

corroborent ou remettent en cause certaines idées sur le sujet, précisent certaines tendances.

Ils permettent d'obtenir des fourchettes de valeurs pouvant être attendues des bétons projetés,

pour des grandeurs courantes ou plus spécifiques, comme la durabilité. Enfin certains des

résultats obtenus sont utilisés dans le but de proposer une optimisation des mélanges à

projeter en fonction de critères de choix justifiés.

Abstract

Shotcrete is a sticking material which develops a resistance on the support without the need of

a formwork. These characteristics make it a preferred material for specific uses like

provisional tunnel support and building repair works.

Shotcreting technique and mixtures formulation are closely bound to empirism. Rules exist in

this field, but they don’t allow to achieve a guaranteed quality of the sprayed shotcrete.

To enhance the topic knowledge, an experimental program has been set up, the goal of which

is to collect any information about mixtures spraying and sprayed concrete characteristics.

Thanks to similar operating conditions, the experiments results are comparable to worksite

results. They support or question ideas on this topic. They also allow to obtain value ranges

about shotcrete, for usual or specific characteristics, like durability. At last, some results are

used to propose a shotcrete mixture optimisation, according to justified selected criteria.

Glossaire


« Aujourd’hui, j’ai permis au soleil de se lever plus tôt que moi ». Georg Christoph Lichtenberg

Glossaire Accélérateur de prise : adjuvant caractéristique des bétons projetés surtout utilisés en voie mouillée. Ils apportent une rigidité superficielle qui fige le béton, améliore l’adhérence au support et permet d’augmenter l’épaisseur projetée. L’attention est attirée sur le fait que certains produits, de part leur nature chimique, modifient les performances mécaniques du béton projeté : à court terme les résistances en compression des bétons accélérés sont augmentées en revanche leur progression est limitée à long terme. Adhérence : notion de liaison entre le support de projection et le produit projeté. On discerne l’adhérence par collage (ciment) et par accrochage (adhérence mécanique due à l’incrustation des fines dans les pores du support lors de la projection par voie sèche). Aéropertes : éléments fins (ciment, sable, filler, eau) dispersés dans l’air environnant par la projection. Les aéropertes font partie des retombées. A.F.T.E.S. : Association française des Travaux en Souterrain. ASQUAPRO : Association pour la Qualité de Projection des mortiers et bétons. Béton projeté : béton mis en œuvre par refoulement (mécanique ou pneumatique) dans une conduite et par projection sur une paroi au moyen d’un jet d’air comprimé. Béton projeté frais : béton projeté depuis peu sur le support, avant sa prise. Béton projeté fibré (BPF) : terme générique désignant un béton projeté renfermant des fibres sans distinction de nature et de dosage. Béton projeté renforcé de fibres (BPRF) : béton projeté renfermant des fibres métalliques (acier ou fonte amorphe) avec un dosage minimum. Béton ayant un rôle structurel. Béton projeté R.I.G. : béton projeté à prise et durcissement rapides correspondant à un cahier des charges SNCF, avec fixation d’une valeur de résistance minimale en compression en fonction de l’âge et de la température (≥ 3 MPa à 3 heures à 10°C et 1,5 MPa à 3 heures à 2°C) et exigence d’absence de fissures visibles à 90 jours. Bouchon : incident de projection provoqué par l’obstruction de la conduite de transfert par une “boule de béton” ou un amalgame de fibres métalliques (voie mouillée). Colmatage : incident de projection provoqué par l’obstruction de la trémie ou du conduit en sortie de machine par un entassement compact d’éléments fins secs (uniquement en voie sèche). Compactage du béton projeté : martelage du béton en place par le mélange arrivant sur le support augmentant sa compacité. Consistance du mélange : qualité de cohérence de la pâte de béton (voie mouillée). La consistance est mesurée couramment par l’essai d’affaissement au cône et se répartit en quatre catégories : ferme, plastique, très plastique et fluide suivant la norme NF P 18-305. Couche : épaisseur de béton projeté non recouverte avant la fin de sa prise par une nouvelle épaisseur de béton frais. Une couche peut être mise en œuvre en une ou plusieurs passes. Courbe granulométrique : représentation sur un graphique de la distribution dimensionnelle en proportion (en pourcentage de la masse) des granulats d’un béton depuis le tamis de maille de 80 µm jusqu’à la dimension maximale des granulats. La distribution dimensionnelle est obtenue grâce à un tamisage. Les courbes granulométriques de par leur définition sont toujours des courbes croissantes allant de 0 à 100% sans pente verticale.

Glossaire


Courbe granulométrique continue : ce sont des courbes granulaires :

sans palier horizontal (manque d’éléments dans certaines divisions granulaires), de progression quasi constante ou faiblement variable (pas de variation brusque de la granulométrie

dans le mélange). Un mélange de granulométrie continue est un mélange homogène vis-à-vis de toute son étendue granulaire. Distance de prémouillage : en projection voie sèche, distance entre le point d’introduction de l’eau et la buse de sortie à l’extrémité de la lance. Distance de projection : distance entre l’extrémité de la lance et la surface recevant le béton projeté. Distance de transfert : distance entre la machine à projeter et la lance. Distance de transport : distance d’approvisionnement du mélange sec ou mouillé entre le point de fabrication et la machine à projeter. Ductilité : propriété d’un matériau de se laisser déformer facilement sous certaines conditions de température, de pression et de vitesse de sollicitations. La ductilité se caractérise par une limite élastique faible et des allongement importants (contraire de fragilité). Epaisseur critique : épaisseur maximale de la couche de béton projetable en une seule fois sur une surface avant apparition des premières dislocations à l’intérieur du matériau ou à l’interface avec le support. Fluidifiant : nom générique des adjuvants plastifiants ou super-plastifiants utilisés pour réduire la teneur en eau tout en conservant une rhéologie adaptée. Fragilité : se dit de comportement d’un solide lorsqu’il se rompt sans déformation permanente appréciable. Se dit aussi mode de rupture d’un solide, lorsque la séparation des parties du solide est acquise à la suite d’un faible déplacement relatif des deux lèvres de la surface de rupture (contraire de ductilité). Hérisson / oursin : amalgame de fibres métalliques formant un bouchon dans la conduite de transfert. Lance de prémouillage : dispositif d’injection d’eau sous pression en amont de l’extrémité de la conduite de transfert et de la lance de projection (utilisation en voie sèche uniquement). Lance de projection : dispositif placé à l’extrémité de la conduite de transfert, servant à former le jet de béton. Selon le mode de projection, voie sèche ou mouillée, la lance comporte des arrivées d’eau ou d’air comprimé et d’adjuvant. Machine à projeter : ensemble mécanique recevant le mélange et le refoulant dans la conduite de transfert jusqu’à la lance de projection. Il existe plusieurs types de machine : à rotor, à sas, à vis, à pistons, à tuyau écrasé (péristaltique) selon le mode de projection. Mélange à projeter (ou mélange) : ensemble constitué du ciment, des granulats et éventuellement d’eau et d’ajouts divers confectionné avant projection. On appelle béton le mélange mis en œuvre sur le support. Mélange colloïde : mélange plastique, constitué de tous les composants du béton (ciment, granulats, eau et ajouts éventuellement) ayant une consistance visqueuse, collante et pâteuse tel un béton coulé traditionnel, utilisé pour la projection par voie mouillée. Mélange fluide : (cf synoptique du circuit du mélange lors de sa mise en œuvre par projection) mélange pulvérulent lors de son transfert par flux d’air dans le conduit de transport. Les constituants du mélange du fait de la faible teneur en eau sont très peu liés entre eux. Mélange fluidisé : (cf synoptique du circuit du mélange lors de sa mise en œuvre par projection) ensemble de l’air et des masselottes de mélange résultant de l’action de l’air comprimé sur un mélange colloïde initialement compact. Ne pas associer ce terme à un mélange dans lequel on aurait ajouté un adjuvant fluidifiant.

Glossaire


Mélange prêt-à-l’emploi : mélange confectionné en usine, livré sec sur chantier et conditionné en sacs, en big-bags (500kg ou 1 tonne) ou en silo (25 tonnes), surtout utilisé en voie sèche en opposition avec les mélanges confectionnés in-situ ou en centrale à béton pour les chantiers de projection de béton par voie mouillée. Mélange pulvérulent : mélange, constitué de granulats et de ciment, légèrement humide ou sec, utilisé pour la projection par voie sèche. Oursin / hérisson : amalgame de fibres métalliques et de granulats formant un bouchon dans la conduite de transfert. Passe de projection : épaisseur de béton frais mis en place lors d’un passage de la lance de projection sur le support à recouvrir. Pertes : ensemble des constituants du mélange, projetés mais non incorporés dans l’ouvrage. Les pertes sont la somme des rebonds (éléments ricochant contre le support) et des retombées (éléments n’atteignant pas le support dont les aéropertes). Pompabilité : capacité du mélange colloïde à être refoulé et transféré dans la conduite depuis la trémie de la machine jusqu’à la lance. Prémouillage : en voie sèche, procédé de projection comportant une injection d’eau sous pression quelques mètres (1 à 3) en amont de la lance de projection et améliorant l’humidification du mélange à la lance et diminuant les poussières. Préhumidification : ajout, avant introduction en machine, d’une faible quantité d’eau (< 5%) dans un mélange pulvérulent sec afin d’en améliorer la projectabilité et de diminuer les poussières. Projectabilité : capacité du mélange (pulvérulent ou colloïde) à atteindre le support grâce au flux d’air comprimé, à adhérer et à constituer une couche de béton avec une proportion de pertes acceptable. Projection par voie mouillée : méthode de projection dans laquelle le béton est gâché avec l’eau nécessaire à la confection d’un mélange plastique, capable d’être pompé et refoulé dans la conduite de transfert. Projection par voie sèche : méthode de projection dans laquelle le mélange pulvérulent sec ou légèrement humide est transporté dans la conduite par un flux d’air comprimé. L’eau nécessaire à l’hydratation du ciment est ajoutée, sous pression, à la lance. Rebonds : pertes provoquées par le rebondissement d’une partie des éléments solides du mélange contre le support. Retombées : pertes provoquées par les éléments tombant directement au sol sans avoir atteint le support. Robot de projection : engin autonome automoteur réunissant dans un même poste machine, la pompe, une nacelle de commande de la projection, un bras articulé supportant la lance. L’intérêt est que le pilotage se fait à distance et que le débit de projection peut être plus important qu’en projection manuelle. S/G : rapport de la masse de sable sur la masse de gravillons (dissociation des appellations au tamis de 5 mm). Surface de projection : terme générique désignant la paroi sur laquelle est projeté le béton (support, surface réceptrice). Transport du mélange : amenée du mélange sur le chantier de projection depuis son lieu de fabrication. Transfert du mélange : amenée du mélange depuis la machine à projeté jusqu’à la lance .

Introduction


« Une préface pourrait être intitulée : paratonnerre. » Georg Christoph Lichtenberg

Introduction

Problématique

Le béton projeté est un matériau pratique, très utilisé pour la construction des ouvrages neufs

en souterrain et pour les réparations et renforcements de structures. Ces domaines d’emploi ne

sont pas les seuls. D’ailleurs la première utilisation du béton projeté, qui a justifié sa création

en 1907, a été la réalisation de rochers artificiels dans un zoo. Un naturaliste américain a eu

l’idée de projeter un mélange granulaire contenant du ciment sur une structure libre en

ajoutant l’eau à la lance : c’est la projection par voie sèche. Il fallut attendre 1940 pour que la

voie mouillée soit utilisée.

Le béton projeté souffre de méconnaissances. Des études (SNCF [SNCF, 1990], Bekaert, etc.)

ont été réalisées mais les domaines d’emploi sont trop précis et les informations transmises

trop succinctes, voire commerciales, pour que les données obtenues soient scientifiquement

exploitables. Quelques recherches ont été entreprises mais le coût et la logistique sont un

frein.

Les différents paramètres influant ne sont pas tous clairement et précisément identifiables,

quantifiables. Très peu d’études peuvent être réalisées dans des conditions de laboratoire où

beaucoup de paramètres peuvent être maîtrisés. La majorité des résultats sont donc établis

dans des conditions de chantier, ce qui a l’avantage d’être comparable à ce que l’on peut

obtenir dans la réalité mais rend l’exploitation des résultats encore plus délicate. Tout cela

contribue à rendre les études sur le béton projeté difficiles. Cela se répercute sur les

connaissances générales sur le matériau et notamment sur sa formulation.

Ainsi, lorsqu’il s’agit de connaître les performances possibles des bétons projetés ou de

formuler un béton répondant à des exigences spécifiques, on se retrouve souvent face à ses

propres interrogations. Les lectures peuvent nous raccrocher à des idées reçues, ce qui peut

conduire à :

sur-dimensionner les ouvrages,

écarter l’un ou l’autre des deux modes de projection (voie sèche ou voie mouillée),

écarter carrément la technique de projection pour mettre en œuvre le béton.

Introduction


Piste de réflexion

La mise en place d’un partenariat entre le Cetu et Freyssinet (thèse en convention CIFRE)

auquel se sont joint de multiples partenaires (dont Bekaert, Sika, Vicat,… ) a permis une

étude approfondie du béton projeté via deux campagnes expérimentales. L’objectif visé est

d’aboutir à une caractérisation non exhaustive mais suffisamment complète des bétons

projetés par voie sèche et par voie mouillée pour :

améliorer les connaissances globales sur les bétons projetés et préciser les niveaux

d’exigences,

confirmer ou non certaines affirmations,

affiner les calculs de dimensionnement,

adapter le choix des critères de formulation.

Les campagnes expérimentales se sont basées sur la projection d’une dizaine de bétons

pour la voie mouillée et d’une vingtaine pour la voie sèche avec, à la clé, la réalisation

d’essais pendant la projection et sur les bétons durcis, au jeune âge et à plus longue

échéance (28 jours à 1 an).

Structure du mémoire de thèse

La définition des expérimentations (chapitre 4) s’est basée sur :

les résultats préalablement obtenus sur les bétons coulés et projetés (chapitre 1),

l’inlfuence de la technologie de projection sur la formulation des mélanges (chapitre

2)

les connaissances actuelles sur la formulation des bétons projetés (chapitre 3),

l’attente des différents partenaires et notamment du Cetu en tant qu’assistant à la

maîtrise d’ouvrages ou à la maîtrise d’œuvre et expert dans le domaine des tunnels et

Freyssinet en tant que spécialiste de la réparation et du renforcement par béton projeté.

Le chapitre 5 expose les différentes compositions de mélanges projetés à la fois par voie

mouillée et par voie sèche, ainsi que les variations constatées entre composition théorique et

composition réelle.

Le chapitre 6 présente sommairement les résultats, on a alors des fourchettes de valeurs sur

les bétons projetés. Les différents bétons testés sont représentatifs des bétons projetés

courants. L’aspect durabilité et comportement différé des bétons est également développé

dans ce chapitre.

Introduction


Le chapitre 7 présente une analyse de certains résultats obtenus (résistance en compression,

module d’élasticité et énergie absorbée lors de l’essai de poinçonnement-flexion) selon la

composition et les caractéristiques de projection des bétons testés. Cette comparaison permet

une mise en évidence des paramètres influant sur les caractéristiques des bétons en place et

sur la projection.

Le chapitre 8 est une synthèse des résultats obtenus visant à proposer une optimisation :

de la composition des mélanges à projeter par voie sèche avec notamment une

réflexion sur la structure granulaire et la teneur en eau,

du choix des fibres pour les mélanges à projeter par voie mouillée.

Chapitre 1 : Spécificités du béton projeté par rapport au béton coulé


« Si on n’avait pas de pieds, on ne toucherait pas terre… » Bertrand

« Un seul trou suffit pour faire une passoire. » Ylipe, extrait de Textes sans paroles

Chapitre 1 Spécificités du béton projeté par rapport au béton coulé

Les spécificités de la technique de mise en œuvre par projection, les caractéristiques du béton

en place et le coût du matériau justifient que les domaines d’emploi du béton projeté et du

béton coulé ne se concurrencent pas. Ce chapitre traite ces deux techniques pour bien situer

leurs domaines d’emploi respectifs.

1.1 Quelques généralités sur le béton projeté

Le béton projeté résulte de la projection par air comprimé d’un mélange sur un support auquel

il adhère. Le mélange est composé de ciment, de sable, de graviers ou de gravillons et

éventuellement d’eau (ajout total dans le cas de la voie mouillée, partiellement dans le cas de

la voie sèche avec préhumidification ou nulle pour la voie sèche sans préhumidification) et

d’adjuvant (notamment de fluidifiant dans le cas de la voie mouillée).

Les deux principaux modes de projection - voie sèche et voie mouillée – se distinguent, entre

autre, par le lieu d’introduction de l’air comprimé et de l’eau (cf figure 1), qui conditionnent

des comportements très différents à la projection.

L’opération de projection comporte trois grandes étapes [ASQUAPRO, 2002] :

le passage du mélange sec, humide ou mouillé en machine,

le transfert mécanique dans les tuyaux avec ajout, en fin de conduit, d’eau (voie sèche)

ou d’air (voie mouillée) et éventuellement d’adjuvant (raidisseur lors de la projection

par voie mouillée),

la projection sur un support.

Lors de la projection par voie sèche, l’eau est ajoutée à la lance. Le mélange de consistance

pulvérulente, introduit en machine est sec ou légèrement humide. Le transfert de la machine

jusqu’à la lance est assuré par un flux d’air comprimé (transfert à grande vitesse).

Lors de la projection par voie mouillée, le mélange, de consistance plastique, contient déjà

toute l’eau nécessaire à sa mise en œuvre et à son hydratation. Le transfert est alors

mécanique : le béton est pompé. La projection est assurée par ajout d’air comprimé à la lance.



Figure 1 : mode de projection par voie sèche et par voie mouillée [Resse et Vénuat, 1981]

La texture des deux mélanges n’est donc pas comparable (cf organigramme pages suivantes)

et induit des différences en termes de comportement à la projection, de compactage du béton,

de production de pertes et de poussières et en termes de rendement (cf tableau 1).

Ces caractéristiques ne sont pas systématiques. La voie sèche avec prémouillage génère peu

de poussières à la lance alors que l’emploi d’un accélérateur en poudre en voie mouillée peut

s’avérer être fortement générateur de poussières [Ishida et al., 2002 ; Kawazoe et al., 2002 &

Iwaki et al., 2002].

Tableau 1 : avantages (+) et inconvénients (-) de chaque mode de projection selon quatre critères Critères Voie Sèche Voie Mouillée

Résistance en compression Pertes

Poussières Rendement

+ - - -

- + + +

1.2 Avantages de la projection

1.2.1 Coffrage

La projection ne nécessite aucun coffrage (avantage financier en matériel et main d’œuvre),

juste un support de projection qui peut être une surface en béton ou en maçonnerie, du terrain

naturel ou une structure métallique. Un léger coffrage peut éventuellement être mis en place

pour la délimitation d’arêtes [Teichert, 1991].

La projection réduit les délais de mise en œuvre et augmente la cadence de chantier, avec une

rapide mise en sécurité de la zone à traiter (soutènement provisoire dans les tunnels).



1.2.2 Zone à traiter

Selon la méthode de projection et le type de la machine, la distance de transfert peut aller de

plusieurs dizaines de mètres à mille mètres. L’encombrement de la zone de projection est

réduit, la zone de ravitaillement et la machine peuvent être éloignées de la zone de projection,

ce qui permet de travailler dans des zones inaccessibles aux engins ou aux silos (cas des

égouts par exemple).

Figure 2 : procédé de projection du béton (ici par voie mouillée - VM)

1.2.3 Adhérence au support et résistance du béton projeté

L'adhérence du béton sur le support s'obtient grâce à deux phénomènes :

- adhérence par collage grâce à la pâte de ciment (pour les deux modes de projection)

- accrochage mécanique (cf figure 3) dans le cas de la voie sèche.

En effet la force de projection dans ce procédé incruste la pâte de ciment dans les pores du

support [Maguet et Godard, 1999] et génère après hydratation une liaison mécanique qui

augmente la résistance de l'interface béton-support.

De ce fait, l’adhérence du béton projeté par voie sèche, pour lequel le monolithisme des

sections est recherché, est plus importante qu’en voie mouillée et le prédispose à une

utilisation en réparation et en renforcement de structure.

cône de projection

ajout d’air

ajout d’un raidisseur

lance

distance de transfert

supportmélange

trémie de la machine

système mécanique de transport du mélange

conduit de transfert rempli de béton pompable (VM)

distance de projection



Figure 3 : adhérence par action mécanique due à l’incrustation des fines dans les pores du support [Maguet et Godart, 1999]

Les bétons projetés par voie sèche sont connus pour leur grande résistance en compression :

un béton projeté par voie sèche courant atteint 50 MPa. Mais il est possible d’obtenir des

bétons projetés par voie mouillée dont la résistance en compression est supérieure à celle d’un

béton coulé comparable : gain de résistance en compression d’environ 18 % pour les bétons

projetés par voie mouillée par rapport aux bétons coulés, que le béton soit ou non renforcé de

fibres [Hexing, 2002].

1.2.4 Coût

Le coût du béton projeté est souvent sujet à controverse, la technique de mise en œuvre par

projection est certes plus onéreuse que le bétonnage traditionnel mais en prenant en compte

toutes les dépenses du poste de projection les coûts s’inversent. On évalue les économies de

coût entre 10 et 20% [AIPCR, 2002].

La réduction des délais d’exécution, la suppression de certaines manipulations et

manutentions – ce qui augmente la cadence du chantier - , l’absence du coffrage - pôle

financier important – et surtout sa parfaite adaptation aux utilisations actuelles placent alors le

béton projeté en bonne position du point de vue de la rentabilité dans des domaines d’emploi

particulier. Le délai de construction des ouvrages souterrains a été réduit de 50 %, par rapport

à la construction qui utilise d’autres méthodes.

L’utilisation du béton projeté reste limitée à des applications en faible épaisseur où le coffrage

est difficilement réalisable et pour des opérations de réparation et de renforcement où on

recherche une forte adhérence.

support de projection

incrustation de la couche d’accueil du béton projeté dans les pores du support

béton projeté



Circuit du mélange lors de la mise en œuvre par projection

Voie sèche

mélange sec Voie sèche

mélange humide Voie mouillée

flux dilué Voie mouillée flux dense

Mélange introduit dans la machine à projeter

mélange : granulats + ciment granulats + ciment + eau granulats + ciment + eau

consistance : pulvérulente plastique

caractéristique : sec humide ferme plastique

teneur en eau : nulle 3-6% : ajout d’eau ou humidité des granulats

E/C=0,4 teneur en eau ≈ 10% E/C=0,5

teneur en eau ≈ 15%

adjuvants : rare (raidisseur pour augmenter l’épaisseur des couches de béton)

fluidifiant (amélioration de la consistance et réduction du rapport E/C)

poussière : beaucoup peu aucun aucun

Vidange du mélange contenu dans la machine

écoulement : gravitaire et parfois mécanique en sus mécanique (pompage)

vidange : air comprimé (expulsion) mécanique (extraction)

l’air éclate la masse colloïde en masselottes colloïdes

débit : faible faible moyen important

Transport du mélange dans la tuyauterie

transport : pneumatique (air comprimé dès la sortie de machine) mécanique (poussage)

définition : granulats solitaires entourés ou non de fines et de grains de ciments (selon la teneur en eau non nulle ou nulle)

granulats entourés d’une fine couche de mortier

hydraté

ensemble de granulats liés entre eux par de la pâte de

ciment

texture : grains en suspension pâte en suspension dans l’air pâte dense

consistance du mélange : fluide fluidisé (un peu asséché

par l’air) plastique

vitesse de transport : très rapide ≈ 100 m/s rapide ≈ 50 m/s lente ≈ 0,5 m/s

Voie sèche mélange sec

Voie sèche mélange humide

Voie mouillée flux dilué Voie mouillée

flux dense



Voie sèche mélange sec

Voie sèche mélange humide

Voie mouillée flux dilué Voie mouillée

flux dense

Passage du mélange à la lance

ajout d’eau : E/C < 0,4 environ aucun ou léger aucun

adjuvants : rare accélérateur pour augmenter la cohésion

accélération : effet Venturi* effet Venturi* + ajout d’air effet Venturi* +

ajout d’air

l’air éclate la masse dense de béton en masselottes (pâte autour d'un granulat)

Mélange en sortie de lance

vitesse : très élevée ≈ 140 m/s élevée ≈ 120 m/s peu élevée ≈ 100 m/s

les granulats de forte inertie conservent leur vitesse perte de vitesse importante pour les fines particules indépendantes faible pertes de vitesses

masselottes de forte inertie

Mélange sur le support

vitesse d’impact : granulats : très rapides

fines, ciment, eau : moins rapides assez rapide moins élevée

constitution de la couche :

formation de la couche d’accueil (pâte de ciment puis mortier) incrustation de granulats de plus en plus gros

compactage par martèlement

collage / compactage successif des masselottes selon le débit d’air à la

lance

liaison au support : collage (forte teneur en ciment) + accrochage collage

quantité très importante important faible

rôle - formation de la couche d’accueil

- compactage important du béton - couche d’accueil

- compactage moyen - compactage faible

rebo

nd :

caractéristiques

-constitués essentiellement de graviers

- nettoyage aisé (peu de ciment) - large zone couverte

- matériau réutilisable après lavage

- granulats + couche de mortier légèrement hydraté

- granulats + couche de mortier hydraté

- nettoyage difficile - non réutilisable

Caractéristiques du béton

adhérence au support

compacité résistance

caractéristiques légèrement réduites faible adhérence

résistances réduites



1.3 Inconvénients de la projection

1.3.1 Pertes

La projection contre un support plus ou moins rigide produit des rebonds. Ces rebonds, par

transmission d’une partie de leur énergie [Armelin et al., 1997, a-] compactent le béton déjà

en place.

Les pertes sont donc inhérentes au béton projeté et participent à la qualité du béton en place.

Cependant, elles représentent un surcoût en terme de matériaux, de nettoyage et de stockage

ou de recyclage. Les pertes sont plus élevées lors de la projection par voie sèche, mais en voie

mouillée elles contiennent du ciment et de l’accélérateur de prise et donc doivent être

enlevées rapidement.

1.3.2 Contrôle des épaisseurs

Le contrôle des épaisseurs projetées en structure et ouvrages souterrains est réalisé au moyen

de piges. Cela permet de garantir une épaisseur minimale mais ne renseigne par sur la quantité

de béton à mettre en œuvre d’où des difficultés pour l’établissement des marchés. Les piges

sont prioritairement positionnées sur les becs et le béton projeté corrige les irrégularités

géométriques du terrain.

1.3.3 Formulation

La composition des mélanges à projeter n’est pas régie par une méthode de formulation

précise (cf chapitre 3). Des recommandations limitent l’étendue des paramètres à fixer tout en

laissant une large marge de manœuvre. De fait, seule l’expérience permet d’évaluer la

capacité des mélanges à être projetés et à répondre aux exigences mécaniques. Des essais de

convenance sont nécessaires, avant le chantier.

Pour remédier à cela, de plus en plus de chantiers utilisent un mélange prêt à l’emploi

fabriqué en usine et livré sec - en silos, big-bags ou en sacs pour les petits chantiers – dont on

connaît les caractéristiques en place et pour lequel on a de nombreuses références.

Une autre solution consiste à utiliser une formule ayant récemment servie pour un chantier, il

faut cependant s’assurer que les conditions de chantier sont similaires et les caractéristiques

des matériaux quasiment identiques (même granulométrie notamment).

L’obtention des caractéristiques requises et la reproductibilité de cette qualité dépend de la

compétence de l’ouvrier de projection.



1.3.4 Etude du matériau

Le béton coulé peut être étudié en laboratoire avec des valeurs reproductibles d’un essai à

l’autre et comparables aux valeurs de chantier.

L’étude des bétons projetés doit nécessairement inclure la projection du mélange testé

[ASQUAPRO, 2003, c-] pour reproduire la structure du matériau (compactage, agencement

des grains [Suzuki et al., 2002]. Ceci impose donc des exigences en termes de matériel,

d’énergie et de compétence du porte-lance.

Ceci contribue à freiner l’utilisation du béton projeté pour des usages autres que les domaines

d’emploi actuels.

1.4 Mise en œuvre du béton par coulage

La mise en place du béton par coulage est une technique :

très utilisée,

moins onéreuse pour les travaux courants,

mieux maîtrisée et plus reproductible vis-à-vis du matériau mais également vis-à-vis

des dimensions de la structure (augmentation de la fiabilité des calculs),

très étudiée.

De ce fait, il existe bien plus de références concernant le béton coulé, relatives à :

la formulation (cf § 3.2) et l’influence des divers constituants sur les caractéristiques

en place (méthodes de formulation des bétons coulés : Dreux [Dreux, 1986] , Valette,

Bolomey [AïtCin et al., 1996] ; logiciels de formulation : BétonLab [De Larrard,

2000 ; De Larrard et Acker, 2000 ; De Larrard et Leroy, 1992] et ses variantes),

l’influence des adjuvants et ajouts (fumée de silice, entraîneur d’air, etc.),

la fabrication des bétons [Khayat et Ollivier, 1996] et notamment l’influence du

malaxage,

la mise en œuvre (travaux de Chopin au LCPC),

les performances mécaniques, les caractéristiques différées et les caractéristiques

structurelles du béton et la durabilité [Baron et Sauterey, 1982].



1.5 Connaissances sur les bétons projetés : transfert des

évolutions techniques des bétons coulés

En France, le béton projeté ne jouit pas du même état de connaissance que le béton coulé, et

notamment en ce qui concerne la méthode de formulation (cf § 3.2). Cependant, le béton

projeté a bénéficié de certaines évolutions du béton coulé par application directe sur chantier.

Le béton projeté peut donc de manière empirique répondre à des exigences variées. Certaines

de ces adaptations ont également permis de faciliter la projection.

1.5.1 Fibres métalliques

Les fibres (cf § 3.4) ont été introduites dans les bétons projetés dans les années 70-80. Elles

rendent les bétons ductiles et sont systématiquement utilisées par la S.N.C.F. en

remplacement du treillis soudé. D’autres fibres sont également utilisées avec d’autres

objectifs (fibres de fonte amorphe, de verre ou synthétiques).

Les fibres sont orientées parallèlement au flux d'air dans le cône de projection alors qu'en

place, elles sont perpendiculaires à la projection, soit dans le plan du support.

1.5.2 Fumée de silice

L’emploi de fumée de silice, en remplacement d'une partie du ciment, permet d’accroître les

performances des bétons.

La fumée de silice a d’autres incidences positives sur la projection :

diminution des rebonds [Jolin et al., 2000],

amélioration de la qualité du béton,

augmentation de la résistance au gel/dégel (répartition et taille des bulles d’air),

réduction de la perméabilité aux chlorides et de l’absorption d’eau [Vezina, 2001].

L’avantage apporté par la fumée de silice est unanimement confirmé pour la voie mouillée

mais reste controversé pour la voie sèche : les Canadiens [Jolin et al., 2001] préconisent

l’emploi systématique de la fumée de silice alors que l’on rapporte des cas de chantiers

[Maguet, communication orale] ayant posé des problèmes dus probablement à la forte teneur

en éléments fins.



1.5.3 Agents entraîneurs d’air

Les entraîneurs d’air (liquide ou solide) sont systématiquement utilisés au Canada pour le gain

de résistance au gel – dégel [Beaupré et al., 2001]. L’emploi de cet adjuvant améliore

également la tenue du béton sur le support et réduit les pertes par rebonds [Jolin et al., 2001].

1.5.4 Bétons réfractaires

Les bétons réfractaires sont des bétons qui résistent à de très fortes chaleurs et au feu. Ils ont

une formulation complexe (granulats appropriés, adjuvants multiples) et sont très coûteux. La

technique de projection apparaît comme bien adaptée [Yoggy, 2001] pour la réparation des

anciens fours en maçonnerie mais convient également pour la confection d’éléments neufs

[Glassgold, 2002].

1.6 Performances des bétons projetés

L’organisation dynamique des grains et le jet d’air comprimé justifient la différence de

structure des bétons projetés par rapport aux bétons coulés, et notamment de porosité. La

porosité connectée des bétons projetés est plus importante en volume mais plus fine (porosité

non connectée) et répartie de manière plus homogène. Ceci confère au béton projeté une plus

grande résistance chimique (agressions extérieures et produits chimiques [Teichert, 1991]),

une meilleure étanchéité [Resse et Vénuat, 1981] et une résistance au gel.

Le compactage énergique induit par la force de projection confère au béton une résistance

suffisante (minimum B25) pour être reconnu comme matériau de structure. Les bétons

projetés par voie sèche peuvent atteindre des résistances de 60 à 70 MPa (chantier du tunnel

sous la Manche), par voie mouillée on est souvent limité à 30 MPa. Des chantiers plus

exigeants ont cependant pu être réalisés par voie mouillée. Hexing rapport le cas d’un chantier

où le béton projeté par voie mouillée a atteint 60 MPa [Hexing, 2002].

Le module d’Young des bétons projetés est peu souvent mesuré et n’a jamais été étudié. Il ne

fait l’objet d’aucune spécification. Les calculs de travaux en souterrain prennent en compte

une valeur forfaitaire intégrant le durcissement du béton, le déconfinement du terrain et le

module différé. Cette valeur vaut 7000 MPa [Pottlër, 1990].

La voie sèche augmente les caractéristiques mécaniques et structurelles du béton mais

provoque plus de pertes et a un débit de projection généralement plus faible que la voie

mouillée.



Tableau 2 : débits courants (m³/h) des machines de projection Débits courants Voie mouillée Voie sèche

Sans robot 6 à 8 m³/h 2 à 4 m³/h Avec robot 16 à 20 m³/h 6 m³/h

Le tableau 2 montre que même si les débits de mise en œuvre des bétons projetés par voie

sèche peuvent atteindre 6 m³/h, ils restent plus faibles que ceux de la voie mouillée.

1.7 Utilisations spécifiques des bétons projetés

1.7.1 Domaines d’emploi des bétons projetés

Le choix de la technique de mise en œuvre ne doit pas résulter d’un manque ou d’un défaut de

connaissances de la projection des bétons mais d’un raisonnement objectif et rationnel lié aux

contraintes des travaux à réaliser.

Le béton projeté a certes des limitations par rapport au béton coulé (coût, logistique,

compétence du porte-lance) mais ses spécificités lui permettent de répondre à des exigences

précises [ASQUAPRO, 2003, b-] pour lesquelles la projection est la seule technique

envisageable (cf tableau 3).

Tableau 3 : domaines d’emploi des bétons projetés Utilisation Justifications

soutènement souterrain absence de coffrage, limitation du déconfinement du terrain,

mise en sécurité rapide du lieu de travail, réduction des temps d’attente entre les différentes phases de travail

soutènement de berges et perrés facilité et rapidité (mise en œuvre), absence de coffrage soutènement de falaises absence de coffrage, adhérence au support

formes complexes (faux rochers) pas ou peu de coffrage, état de surface (dans certains cas) voile mince coffrage ouvert faisant office de support de projection

chantiers d’accès difficile (égouts) difficulté d’accès, absence de coffrage réparation et renforcement

(remise à niveau ou augmentation de l’état de service)

résistance, adhérence au support à réparer ou renforcer (hypothèse du monolithisme de la section reconstituée)

bétons réfractaires résistance au feu, adhérence au support

Rappelons que c’est pour la confection de faux rochers [Teichert, 2002] et de squelettes

d’animaux [Yoggy, 2001] dans un zoo qu’un naturaliste américain, M. C.E. Akeley, a mis au

point le béton projeté en 1909.

1.7.2 Utilisations spécifiques de la projection par voie sèche

Les caractéristiques du mode de projection par voie sèche (détaillées ci-dessous) procurent au

béton ses diverses qualités :

transport par flux d’air,

peu de frottements donc grande distance de transfert possible (1000 m),

mélange pas ou peu humide donc peu de nettoyage en fin de journée,

grande vitesse en sortie de lance,



fort compactage donc résistance élevée et retrait réduit par rapport au béton projeté par

voie mouillée,

bon enrobage des armatures,

pénétration des fines du mélange dans le support donc forte adhérence mécanique,

addition d’eau à la lance avec optimisation du rapport E/C (limité par l’obligation de

tenue du béton) favorisant les fortes résistances et les faibles retraits,

enrichissement en ciment,

important au contact du support donc favorisant l’adhérence (adhérence par collage et

par accrochage mécanique),

faible modification dans l’épaisseur de la couche (dosage en place proche du dosage

initial),

parement « fermé » par une couche de laitance.

Ces qualités prédisposent l’emploi de la voie sèche pour :

les travaux de réparation et de renforcement (forte résistance, grande adhérence et

retrait réduit),

le rejointoiement des murs (faible débit et grande adhérence) en maçonnerie à joint

large,

la projection sur falaise (forte résistance et grande adhérence),

le béton réfractaire (forte résistance et grande adhérence),

besoin de durabilité.

Cette technique a néanmoins des inconvénients :

production de pertes et de poussières,

respect des conditions d’hygrométrie pour les granulats dans le cas de la confection

des mélanges in-situ et en BPE (ces deux confections de mélanges sont peu utilisées

par rapport à l’emploi de mélanges secs prêts à l’emploi conditionnés en sacs, big-

bags ou silos),

coût élevé du matériel (compresseur de forte puissance, abrasion des tuyaux et de la

machine),

mouillage à la lance donc rapport E/C en place non contrôlable et dépendant du porte-

lance donc pas parfaitement maîtrisable, risque d’hétérogénéité du mouillage à la

lance,

forte influence de la compétence du porte-lance (technique de mise en œuvre et

réglage de la teneur en eau) d’où la nécessité de mettre en place une qualification à



l’échelle nationale [ASQUAPRO, 2002] voire européenne. Au Canada et de manière

générale en Amérique du nord, ce genre de certification est déjà instauré [Isaak, 2002].

1.7.3 Utilisations spécifiques de la projection par voie mouillée

Les résistances obtenues lors de la projection par voie mouillée sont suffisantes pour bon

nombre d’applications (minimum B25) mais elles sont moins élevées qu’en voie sèche.

Généralement, la projection par voie mouillée ne convient pas dès lors qu’une bonne

adhérence au support est exigée, mais elle respecte mieux les supports fragiles (force d’impact

moindre).

Malgré une plus faible adhérence qu’en voie sèche, la voie mouillée est tout de même

employée dans le cas des rejointoiements de maçonnerie à joints étroits, la possibilité de

régler les machines voie mouillée à de très faibles débits permet de réaliser le remplissage du

joint avec du mortier.

Les pertes sont moins importantes en projection par voie mouillée mais doivent être ôtées

rapidement (cf § 1.3.1) à cause de la teneur en ciment contenue dans les pertes.

La qualité et la composition du béton sont homogènes (notamment ciment et teneur en eau

maîtrisable) sur toute l’épaisseur de la couche.

L’adjuvantation des mélanges consiste en l’emploi :

d’un fluidifiant permettant d’obtenir une consistance plastique sans excès d’eau

(E/C=0,4) pour le passage en machine,

d’un raidisseur ou accélérateur de prise permettant d’assurer la tenue au support du

béton. Au Canada, certains bétons sont projetés sans accélérateur de prise [Beaupré,

1994] et donnent de bons résultats. Cependant les épaisseurs doivent rester faibles.

Cet ajout à action rapide, modifiant le seuil de cisaillement du béton, peut gêner sa mise en

œuvre derrière une nappe d’armature ou un treillis (cf figure 5) si le débit d'air introduit à la

lance est insuffisant. Le mélange adhère à l’armature (cf figure 4) et la zone située à l’arrière

de l’obstacle se comble difficilement de béton [Resse et Vénuat, 1981]. Cette partie est alors

constituée de béton de faible compacité voire d’espaces vides. Dans ce mode de projection, la

compétence du porte-lance est requise pour garantir une bonne mise en œuvre du béton en

présence d’armatures.



Figure 4 : projection du béton par voie mouillée contre une armature

Figure 5 : projection du béton sur un support renforcé d’un treillis métallique : béton faiblement compacté donc préjudiciable en partie arrière du treillis

Les vides derrière les armatures empêchent le bon fonctionnement des armatures et accélèrent

la corrosion.

La consistance des mélanges à projeter par voie mouillée génère beaucoup de frottements

dans le conduit, la distance de transfert est donc réduite (100 m pour la voie mouillée contre

1 000 m pour la voie sèche [Resse et Vénuat, 1981]).

La section du tuyau et le débit de la machine sont fonction de l’ampleur du chantier, de

l’emploi d’un bras télescopique à la place de l’ouvrier de projection :

section limitée à 60 mm de diamètre et débit maximal de 6 m³/h en projection

manuelle,

armature

1 m

béton normalement compacté

béton faiblement compacté voire zone vide de béton

armature

VIDE

Zone de compression

Zone de non-remplissage



au-delà, utilisation d’un robot (débit compris entre 16 et 20 m³/h).

Le nettoyage du matériel (tuyaux, lance et machine) est impératif en fin de journée mais

également lors des longs arrêts de chantier (1 heure). Pour limiter ces aléas, un stabilisateur

peut être introduit dans le mélange. Son action est inhibée avec un activateur introduit à la

lance [ASQUAPRO, 2003, a-].

Les caractéristiques de la projection par voie mouillée orientent ses domaines d’emploi

[ASQUAPRO, 2002] :

soutènements provisoires en souterrain (fort débit, peu de poussière, résistance exigée

moindre),

protection des berges (fort débit, aucune adhérence nécessaire),

projection sur support fragile (faible force d’impact),

projection verticale vers le bas (pas de piégeage des pertes).

1.8 Résumé : spécificités du béton projeté par rapport au béton

coulé

La réparation, le renforcement et les travaux souterrains sont les principales utilisations du

béton projeté parmi l’ensemble des travaux utilisant ce matériau. Rapidement après sa mise au

point au début des années 1900 pour l’usage d’un naturaliste, le béton s’est implanté dans les

différents domaines qu’on lui connaît actuellement.

Le béton projeté possède des caractéristiques qui le prédisposent à ces travaux :

les résistances développées lui permettent d’avoir un rôle structurel (B25 au

minimum),

en voie sèche, l’adhérence au support permet son utilisation en réparation ou en

renforcement de structures,

la rapidité de mise en œuvre (pas de coffrage, tenue rapide au support) et les débits de

projection permettent une intervention rapide et adéquate par voie mouillée pour le

soutènement en travaux souterrains.

Le béton projeté ne concurrence pas les domaines d’emploi du béton coulé. Pour les travaux

de bétonnage courant, le coût de la projection justifie que le béton projeté n’est clairement pas

rentable. Mais pour de nombreuses applications spécifiques, la prise en compte de l’ensemble

des travaux inverse ce rapport : l’utilisation du béton projeté est alors largement justifiée et

d'ailleurs bien souvent incontournable.



Le béton coulé continue de faire l’objet de nombreuses recherches. Le béton projeté, moins

étudié pour des raisons pratiques, bénéficie en partie de ces résultats par application directe

sur chantiers.

Le béton projeté se prête mal aux études de laboratoire stricto senso du fait de la logistique

nécessaire, des difficultés de rendre ces expérimentations reproductibles et du coût de ces

études. Pourtant une amélioration des connaissances ne pourrait qu’être bénéfique, elle

valoriserait le matériau et réduirait son coût avec une meilleure garantie des résultats obtenus.

Dans un même souci de qualité, il apparaît primordial de développer un système de

qualification des entreprises réalisant les travaux et de certification des ouvriers porte-

lance. L’ASQUAPRO met en place ce type de certification sur la base des tests

canadiens et propose une charte de qualité aux entreprises.

Chapitre 2 : Formulation des bétons projetés – influence des principes technologiques -


« Si l’on m’assignait pour tâche de définir la Culture, pas celle des grandes écoles et des doctorats de 3ème cycle, je la définirais comme l’aptitude au respect. L’aptitude au respect de l’autre, l’aptitude au respect de ce que tu ignores, l’aptitude au respect du pain, de la terre, de la nature, de l’histoire et de la culture, et , par voie de conséquence, l’aptitude au respect de soi, à la dignité. » Andreï Bitov, un russe en Arménie

Chapitre 2 Formulation des bétons projetés – influence des principes technologiques (matériel, fonctionnement, projection)

La projection de béton exige une certaine qualité du mélange liée aux principes

technologiques pour garantir l’arrivée du mélange sur le support et sa tenue sur celui-ci.

L’objet de ce chapitre est de mettre en évidence l’incidence les propriétés que doit satisfaire le

mélange pour être projeté [Gérômey, 1999] de manière à déterminer les paramètres de

formulation importants.

Le béton projeté est le résultat d’une action de projection, il n’existe qu’après avoir pris sa

place sur le support. La composition d’un mélange à projeter doit intégrer à la fois les

exigences mécaniques finales sur le matériau mais également les critères de « projectabilité »

permettant la réalisation du béton projeté.

2.1 Passage dans la machine

Les machines à projeter le béton sont généralement :

des machines à rotor pour la projection par voie sèche,

des pompes à pistons pour la projection par voie mouillée.

Ces machines ont trois organes (cf figure 6) :

la trémie de stockage des mélanges,

un principe mécanique qui expulse le mélange de la machine,

le tuyau de transfert.

Figure 6 : schéma d’une machine à projeter

vers la lance de projection

trémie d’alimentation

principe mécanique de transport du béton depuis la trémie jusqu’à la lance de projection

tuyau de transfert




Le passage du mélange dans la machine est directement lié à son écoulement dans le corps de

l’engin. Pour qu’il soit correct, cela nécessite :

pour un mélange à projeter par voie sèche (écoulement principalement gravitaire) :

une granulométrie continue et adéquate du mélange sec, une faible teneur en éléments

fins (inférieurs à 80 µm) limitant les risques de colmatage (surtout au niveau de

l’injection d’air comprimé) et une faible cohésion (teneur en eau de pré-humidification

limitée),

pour un mélange à projeter par voie mouillée : une consistance du mélange mouillé

adaptée, suffisamment fluide (teneur en eau et emploi d’un adjuvant fluidifiant) pour

se mouvoir facilement dans les pistons mais avec un minimum de cohésion interne

pour limiter les risques de ségrégation (éléments fins et granulométrie du mélange).

Dans la pratique, il est souvent fait référence sur chantier à la mesure du cône

d’affaissement même s’il a été démontré que cette grandeur ne suffisait pas et qu’il

fallait aussi s’intéresser aux caractéristiques rhéologiques et tribologiques [Beaupré,

1994 ; Kaplan, 1999] des mélanges (cf 4.6.1).

La projection par voie sèche génère des poussières à la lance mais aussi à la machine. Ces

poussières peuvent être réduites avec la préhumidification du mélange, le prémouillage ne

permettant de réduire les poussières qu’à la lance et non à la machine.

Des solutions techniques permettent aussi de réduire les poussières ambiantes (système

d’aspiration à la machine) par récupération des poussières émises. Parmi ces poussières, il y a

du ciment, l’aspiration diminue donc la quantité de poussière avec des conséquences sur la

composition du mélange.

Du point de vue de la formulation, moins un mélange contient de fines et moins de poussières

sont émises.

2.2 Transfert dans le tuyau (métallique ou en gomme)

2.2.1 Voie sèche

Le transfert du mélange à projeter par voie sèche est réalisé par un flux d’air comprimé. Des

bouchons, constitués notamment par des fines qui se sont colmatées au niveau de

l’introduction d’air, sont alors à craindre en raison des turbulences (cf figure 8).



Figure 8 : localisation des phénomène de colmatage par des fines en sortie de machine à projeter par voie sèche

Pour limiter ces risques, il est recommandé de :

limiter la teneur en éléments fins (inférieurs à 80 µm),

assurer le collage des fines par préhumidification légère du mélange,

adapter la taille maximale des granulats par rapport au diamètre du tuyau de transfert

(bouchons dans le tuyau) (cf § 3.3.3).

2.2.2 Voie mouillée

Le mélange à projeter par voie mouillée est pompé de la trémie puis poussé dans le corps du

tuyau par une action mécanique (pistons en général). Dans le tuyau, le mélange a alors un

mouvement de corps solide (mouvement de translation de blocs de béton sans turbulence

interne) dont l’avancée est facilitée grâce à la formation d’une laitance au contact du tuyau

[Kaplan, 1999, a-]. Les pressions mises en jeu dans les tuyaux peuvent alors être très

importantes et atteindre 60 bars [Resse et Vénuat, 1981].

Les critères de formulation portant sur le mélange à projeter par voie mouillée concernent :

la consistance, la norme relative au béton projeté précise qu’«une valeur

d’affaissement au cône couramment admise est 12 cm » (NF P 95-102), l’AFTES

élargit la fourchette de valeurs : entre 10 et 15 cm [AFTES, 1993], l’ACI préconise

une fourchette de valeurs comprises entre 5 et 8 cm,

la teneur en éléments inférieurs à 80 µm, elle doit être suffisante pour assurer la

formation de la laitance et la lubrification des tuyaux,

trémie

rotor mélange et air comprimé

air comprimé (vidange)

air comprimé (transfert)

dépôt compact de fines pouvant obstruer le conduit de transfert

zone de turbulence entre les deux flux d’air comprimé




la cohésion interne (pour éviter les phénomènes de ségrégation par délavement du

béton), elle est favorisée par l’emploi d’un fluidifiant qui augmente la fluidité du

mélange sans augmenter sa teneur en eau et en conservant sa cohésion,

la taille des granulats par rapport au diamètre du tuyau de transfert.

2.3 Passage à la lance

La lance a trois caractéristiques (cf figure 9) :

une forme généralement tronconique qui, par effet Venturi, accélère le mélange (les

lances de forme cylindrique ne génèrent pas d’effet Venturi),

un diamètre de sortie inférieur à l’ensemble de la tuyauterie qui constitue un risque de

formation de bouchons, (surtout dans le cas des bétons fibrés)

un système de robinet et de distribution annulaire permettant l’introduction d’air et

d’adjuvant (voie mouillée) ou d’eau (voie sèche) dans le mélange.

Figure 9 : schéma [Resse et Vénuat, 1981] et photo [Teichert, 1991] d’une lance classique pour la projection par voie sèche (anneau de mouillage)


L’air ajouté à la lance éclate le mélange compact de béton en masselottes de béton

(fluidisation et diffusion du mélange), de petites dimensions [AFTES, 1993] et portées

jusqu’au support par le même flux d’air. L’action de l’air comprimé conditionne la compacité

du mélange [Maguet, communication orale].

Il est donc possible que le raidisseur ajouté à la lance reste à la surface des masselottes, son

mélange avec le béton se fait lors de l’impact sur le support. D’ailleurs une expérience a été

réalisée au Japon lors de laquelle le raidisseur liquide a été ajouté directement sur le support

[Suzuki et al, 2002].



2.3.2 Voie sèche

La lance est, en voie sèche, le lieu de l’introduction d’eau dans le béton. La distribution

annulaire génère un voile d’eau que le mélange traverse, il subsiste donc des reliquats de

mélange non hydratés en sortie de lance. Ces éléments sont, pour la plupart, alors mouillés

lors de l’impact sur le support. Les amas non mouillés résiduels sur le support sont

préjudiciables pour la qualité du béton en place (ils augmentent la porosité du béton). Ce

risque est accru avec les mélanges sur-dosés en éléments fins (besoin en eau plus important du

fait de la plus grande surface spécifique).

Afin d’assurer un bon mouillage du mélange (cf figure 10), il est recommandé d’introduire de

l’eau à la lance sous une pression de 8 bars (pression supérieure à la pression d’air comprimé).

Le diamètre des trous de la distribution annulaire doit être adapté à la pression de l’eau.

Une trop grande pression d’eau n’est pas recherchée car elle nécessiterait une réduction de la

taille des trous, alors sensibles aux impuretés, pour que le jet d’eau pénétrant le flux de

mélange conserve une vitesse et donc une force suffisante assurant ainsi un bon mouillage.

Un compromis doit être trouvé entre le diamètre des orifices de la bague d’eau et la pression

sinon il devient délicat de régler la quantité d’eau [Maguet, communication orale].

Figure 10 : trajet de l’eau ajoutée à la lance dans le flux d’air comprimé selon la pression de l’eau [Maguet et Godard, 1999]

2.4 Projection dans un flux d’air

En sortie de lance, le mélange forme un cône de projection (cf figures 11 et 12) dans lequel on

retrouve un gradient des vitesses selon l’inertie des différents éléments projetés et la place de ces

éléments dans le cône de projection (vitesse de l’air plus importante au centre du jet et donc

résistance à l’air ambiant moins importante). Les différents éléments constitutifs du mélange (air,

eau plaquée contre la paroi de la lance

mélange non hydraté



eau et éléments solides) ont quasiment la même vitesse en sortie de lance [Resse et Vénuat, 1981].

Mais les graviers et gravillons conservent leur vitesse alors que les éléments les plus légers se

dispersent (eau, fines). Ce phénomène est surtout observé en voie sèche pour laquelle les vitesses

sont très importantes.

Figure 11 : ouverture du cône de projection en fonction de la longueur de la buse (lance)

Figure 12 : projection par voie mouillée (lance)

En périphérie du jet, on observe des poussières (voie sèche) ou un brouillard (voie mouillée). Les

poussières peuvent être réduites avec :

l’emploi de mélanges optimisés en teneur en fines,

la préhumidification du mélange.

Dans le cas des mélanges introduits secs en machine (absence de préhumidification) il est possible

de réduire les poussières à la lance avec l’emploi d’une lance de prémouillage (cf figure 13).

Figure 13 : schéma d’une lance de prémouillage

distance de prémouillage



2.5 Arrangement du béton sur le support

2.5.1 Voie sèche

Les éléments arrivent de manière indépendante sur le support (dispersions des éléments dans le flux

d’air dans la tuyauterie puis ségrégation des vitesses dans le cône de projection).

En début de projection le support, nu et rigide, génère un choc élastique (choc de deux particules

solides avec transfert total de l’énergie). Les éléments de grande inertie rebondissent seuls

(cf figure 14), la pâte de ciment, les fines et l’eau adhèrent sur le support. Ces éléments fins

hydratés s’incrustent dans les pores (adhérence mécanique), puis recouvrent le support en formant

un matelas de pâte de ciment. Lorsque ce matelas d’accueil est suffisamment épais, des granulats

peuvent s’y incruster (cf figure 15). L’incrustation des granulats dépend de la taille et de la vitesse

des granulats, de la consistance du matelas récepteur fonction de la plasticité, de la viscosité et des

granulats déjà en place [Jolin et al., 2001]. Ainsi en début de projection, seuls les sables peuvent

s’incruster dans le matelas déjà en place puis ce sont tous les granulats.

Figure 14 : projection par voie sèche (support de projection)

Figure 15 : mise en place du béton projeté par voie sèche, constitution de la couche de béton [Resse et Vénuat, 1981]

Les éléments qui ne peuvent s’incruster dans le matelas de béton rebondissent en compactant le

béton (transmission d’une partie de leur énergie cinétique). Ils participent ainsi à la constitution de

la couche de béton.



Avec un mélange de répartition granulaire homogène, on augmente la probabilité que le grain qui

arrive sur le support trouve l’espace suffisant pour s’incruster, d’où l’intérêt d’une granulométrie

continue.

Les pertes par rebond sont généralement constituées de graviers (et de fibres dans le cas des bétons

fibrés). Une partie des éléments n’atteint pas le support (perte de vitesse importante) et tombe au

sol : ce sont les retombées, elles sont comptabilisées dans les pertes.

Les pertes sont inévitables lors de la projection mais peuvent être limitées grâce à :

une teneur en éléments fins suffisante pour permettre la formation rapide de la couche

d’accueil,

une granulométrie continue qui favorise l’arrangement des grains sur le support,

des granulats de diamètre maximal limité,

une parfaite maîtrise de la tenue de la lance.

Il est dangereux en terme de qualité du béton en place de s’attacher à limiter absolument les pertes.


L’aspect du mélange en sortie de lance est un ensemble de petites masselottes de béton (constituées

d’une mince couche de pâte de ciment entourant un granulat) de consistance plastique véhiculées

par un flux d’air comprimé [Resse et Vénuat, 1981]. Ces éléments s’empilent sur le support pour

former la couche de béton (cf figures 16 et 17).

Figure 16 : mise en place du béton projeté par voie mouillée : constitution de la couche de béton

La force de projection n’est pas aussi importante qu’en voie sèche mais suffit à compacter et à

assurer la tenue au support de l’ensemble de la couche.

L’ajout de raidisseur à la lance permet de figer quasi-instantanément le béton sur le support. Cette

rigidité artificielle n’est que superficielle mais permet d’éviter l’affaissement du béton. Ces produits



ne modifient pas le temps de prise. L’emploi d’un raidisseur n’est pas forcément nécessaire

[Beaupré, 1994].

Cette technique génère moins de pertes que la projection par voie sèche et la courbe

granulométrique des bétons en place sur le support est proche de celle des mélanges avant

projection.

Figure 17 : projection par voie mouillée (support de projection)

En voie mouillée, les pertes ne peuvent être limitées que par la maîtrise de l’art de la projection.

Les granulats de grande taille, supérieure à 20 mm, ont une trop grande inertie et peuvent rebondir

quasi systématiquement [Resse et Vénuat, 1981].

2.6 Conclusion : influence des principes technologiques sur la

formulation des bétons projetés

Le principe technologique de la projection est exigeant sur la formulation du mélange. La

composition du mélange par rapport à la technologie de projection doit permettre le transport du

mélange jusqu’au support sans générer de ségrégation, de bouchon, ni trop de pertes.

Les exigences portent donc sur la consistance des mélanges ainsi que sur sa rhéologie. Il y a donc

lieu de porter une attention particulière sur le squelette granulaire du mélange à projeter.

Chapitre 3 : Formulation des bétons projetés – généralités -


Les ordinateurs de bureau présentent d'intéressantes possibilités de communication professionnelle. Vous pouvez coller des "Post-it" au bord de l'écran Dave Barry Extrait des Chroniques déjantées d'internet

Chapitre 3 Formulation des bétons projetés – généralités – L’objet de ce chapitre est de dresser un bilan de la formulation des mélanges à projeter. Il n’existe

pas de réelle méthode de formulation comparable à celle des bétons coulés (cf § 1.4). La

composition des mélanges suit des recommandations (cf § 3.2.1) établies à partir des retours de

chantier. La composition recherchée doit bien sûr tenir compte des exigences requises pour le béton

en place (cf § 3.1) mais surtout tenir compte de la technologie de projection permettant l’arrivée du

mélange jusqu’à la lance, sa tenue au support (cf chapitre 2) et l’obtention des résistances

recherchées.

3.1 Exigences sur la qualité du béton projeté

Les paramètres de formulation influant sur les caractéristiques participant à la définition de la

qualité des bétons projetés sont les suivants :

la résistance en compression : le rapport E/C, la classe du ciment, la compacité granulaire

(selon Baron-Lesage), le diamètre du plus gros granulat,

le module d’Young

l’adhérence au support : la teneur en fines et en ciment,

le retrait : la teneur en ciment et en fines, la teneur en eau et le diamètre du plus gros

granulat,

la ductilité : le dosage et le type de fibres, la qualité de l’adhérence de la pâte de ciment sur

les fibres.

Le cahier des charges ou les pièces du marché doivent définir des exigences à atteindre pour ces

différents critères.

3.2 Méthodes de formulation des bétons projetés pratiquées en France

Dans les pièces du marché, la composition du béton projeté doit être proposée par l’entrepreneur

[Fascicule 69, 1982]. Elle doit être validée par les essais de convenance précédant le début des

travaux. Elle doit prendre en compte la spécificité des travaux (XP P 18-305) et la classe

d’environnement NF EN 206.

Les connaissances sur la formulation des mélanges à projeter sont essentiellement empiriques. Des

mélanges ont été projetés dans le cadre de divers chantiers et les observations faites ont permis de



cadrer les limites dans lesquelles les mélanges se projettent ou non : ce qui a conduit à la définition

de fuseaux granulaires de référence.

Dans la pratique, les compositions proposées sont d’origine :

industrielles (mélanges secs prêt-à-l’emploi), formulées avec des granulats sélectionnés et à

granulomètrie reconstituée inscrite dans les fuseaux,

fabriquées en centrale B.P.E., formulées avec des granulats locaux et à granulomètrie

approchant les fuseaux.

La première possibilité est sécuritaire, les mélanges pré-mélangés ayant de nombreuses références.

Pour la formulation des mélanges confectionnés avec des granulats locaux, on recense trois

méthodes.

3.2.1 Recommandations de la norme 95-102 (qui se basent sur les recommandations

publiées par l’AFB puis l’AFTES)

Ces recommandations concernent :

la granulométrie du mélange,

le pourcentage global de fines (ciment, fillers et fines du sable),

le diamètre du plus gros granulat.

3.2.2 Méthode ABROTEC développée par Resse dans les années 1980

Cette méthode uniquement utilisée par ABROTEC s’appuie sur deux études :

une étude granulaire visant à équilibrer les proportions de chaque constituant pour obtenir

une courbe granulométrique du mélange qui respecte certains critères définis par Resse et

son expérience des chantiers,

une étude volumique pour garantir l’obtention d’une composition pour 1 m³ de béton.

3.2.3 Utilisation d’une composition ayant déjà donné satisfaction

Elle est possible :

s’il existe déjà une composition dont on connaît certaines caractéristiques que l’on doit ou

non adapter,

si les constituants sont les mêmes que ceux que l’on envisage d’utiliser (provenance et

coupure des granulats, type et provenance du ciment, adjuvants et ajouts),

si les adaptations modifient peu la structure du mélange pour ne pas remettre en cause la

projectabilité du mélange.

Cette méthode est classiquement adoptée par les fournisseurs de mélanges prêt-à-l’emploi.



Cette méthode n’est donc pas généralisable sans risque, la répartition granulaire du mélange ainsi

que la qualité des constituants (cf § 3.3) sont importantes pour toutes les phases de la projection (cf

chapitre 2 et 3) avec des conséquences directes sur la capacité du mélange à être projeté.

3.3 Paramètres pris en compte dans ces méthodes

Les paramètres de formulation importants sont :

3.3.1 Granulats

Nature minéralogique des granulats

Les granulats utilisés doivent satisfaire la norme XP P 18-540 catégorie A ou B.

La résistance des granulats est fonction de leur nature minéralogique. Dans la plupart des chantiers,

les granulats locaux sont privilégiés. Cependant pour des utilisations particulières (bétons

réfractaires) ou dans le cas de bétons pour lequel de grandes résistances sont exigées, le choix des

granulats est prépondérant.

Les granulats réactifs aux alcalins doivent faire l’objet d’une étude de sensibilité avant emploi.

Forme des granulats

Les granulats roulés sont préférés aux granulats concassés pour des raisons d’usure de matériel

(joints de la machine et tuyaux [Resse et Vénuat, 1981]). De plus, les granulats concassés peuvent

nécessiter une teneur en éléments fins plus importante (plus grande surface spécifique due à

l’angularité). Teichert attire l’attention sur le fait que le concassage peut fragiliser les granulats et

donc diminuer leur résistance [Teichert, 1991].

En revanche, l’angularité des granulats concassés augmente l’adhérence pâte-granulats d’où un

accroissement de la résistance en compression du béton.

L’exigence sur le coefficient d’aplatissement est inférieure à :

30% pour des granulats de diamètre maximal de 12,5 mm selon la norme NF P 18-561,

25% pour une granulométrie allant jusqu’à 16 mm selon l’AFTES.

Mais il est préférable d’éviter les granulats dont ce coefficient dépasse 20%.

Propreté des granulats

La présence d’argile dans les granulats réduit l’adhérence de la pâte de ciment et est défavorable à

la résistance et à la durabilité du béton [Bertrandy et Piketty, 1996].

En voie sèche, les fines présentes dans les graviers peuvent générer les mêmes risques. La

préhumidification du mélange peut alors réduire ces problèmes.



La propreté des granulats est mesurée grâce à l’équivalent de sable et la valeur recommandée est

supérieure à 85.

3.3.2 Granulométrie

Les caractéristiques de la courbe granulométrique influent sur :

l’écoulement du mélange dans la machine, sa maniabilité (norme P18-541),

la constitution du matelas de béton (en voie sèche comme en voie mouillée même si les

procédés sont différents),

la réduction des pertes [Fascicule 69, 1982].

Il est donc important pour l’amélioration de la technologie de projection d’être attentif à la

granulométrie du mélange :

1- La granulométrie des granulats doit être [Bertrandy et Piketty, 1996] la plus continue

possible selon disponibilité des granulats.

2- La courbe granulométrique doit également s’inscrire dans un fuseau normalisé, un écart de

5% et 10% est toléré respectivement par la norme 95-102 et le Cahier des Clauses

Techniques Générales (CCTG) [Fascicule 69, 1982]. Ce fuseau correspond aux deux

courbes enveloppe (supérieure et inférieure) d’un réseau de courbes granulométriques de

mélanges ayant donné satisfaction sur chantier. Il avait alors été observé que les mélanges

posant des problèmes à la projection sont systématiquement situés en dehors de ce fuseau.

Ce second critère n’est cependant pas validé par tous les formulateurs de béton projeté :

1- il ne tient pas compte de la différence dans la constitution des bétons projetés par voie sèche

et par voie mouillée (cf § 2.5).

2- Certains formulateurs ont par ailleurs observé que des mélanges dont la granulométrie ne

s’inscrivait pas dans ce fuseau (située bien en dessous de la courbe inférieure du fuseau

normatif) donnaient d’excellent résultats à la projection [Resse et Vénuat, 1981] et

[Sommain, communication orale].

L’expérience des formulateurs tend à adapter les courbes granulométriques proposées :

la courbe granulométrique des mélanges à projeter par voie sèche suit la borne inférieure du

fuseau normatif de façon à obtenir un mélange granulaire continu contenant juste ce qu’il

faut de fines pour assurer la constitution du matelas de béton,



les mélanges à projeter par voie mouillée ont besoin de suffisamment de gangue de mortier

pour assurer leur collage au support. La courbe granulométrique du mélange devrait donc se

situer en partie haute du fuseau.

Une augmentation de la proportion de graviers augmente le martèlement, donc la compacité, mais

également les pertes. A l’inverse, l’augmentation de la proportion de sable pour réduire les pertes

induit une baisse de la résistance du béton et augmente le retrait à quantité de pâte de ciment

équivalente. Le rapport S/G optimal fait donc l’objet d’un compromis.

Pour la voie mouillée, Bérissi [Bérissi, 1974] et Resse [Resse et Vénuat, 1981] précisent que le

rapport S/G (rapport entre la quantité de sable sur la quantité de graviers) procurant la meilleure

maniabilité peut être recherché à l’aide du maniabilimètre Baron-Lesage. Cependant, pour les

bétons projetés ce rapport se situe généralement entre 1,5 et 2,5 (pour avoir une quantité suffisante

de gangue) soit bien au-delà de l’optimum (souvent proche de 1). Cette méthode conduirait donc à

réduire exagérément la quantité de graviers. Elle n’est, en pratique, pas utilisée.

3.3.3 Diamètre du plus gros granulat

La projection est une technique de mise en œuvre mécanisée, le mélange passe dans différents

compartiments de faibles dimensions et dans le conduit de transfert. Pour éviter la formation de

bouchons par blocage, la dimension du plus gros granulat est limitée par rapport au conduit de

transfert.

Pour la voie sèche diamètre granulat maximal ≤ diamètre tuyau * 1,2 / 3 Pour la voie mouillée diamètre granulat maximal < diamètre tuyau / 3

Les textes normatifs (NF P 95-102) précisent que le diamètre du plus gros granulat est limité à 10

mm en voie mouillée et 25 mm en voie sèche. Dans la pratique, les granulats utilisés dans les

mélanges prêt à l’emploi projetés par voie sèche sont souvent limités à 8 mm. De plus, les débits et

donc les diamètres des conduits de transfert sont plus faibles en voie sèche ce qui conduit au constat

suivant :

le diamètre maximal est de 10 mm pour la voie sèche,

le plus gros granulat mesure 12 mm pour la voie mouillée [ASQUAPRO, 2003, a-].

3.3.4 Pourcentage de fines (éléments inférieurs à 80 µm)

La teneur en éléments inférieurs à 80 µm (y compris le ciment) préconisée par le fuseau granulaire

de la norme NF 95-102 se situe entre 17 et 21% pour les deux modes de projection et quelle que soit

la taille du plus gros granulat. Le CCTG fait référence aux éléments inférieurs à 100 µm dont la

teneur doit être supérieure à 17% également [Fascicule 69, 1982].



Lors de la projection par voie mouillée, les fines favorisent :

la formation de la couche de laitance qui facilite le pompage du béton dans le conduit de

transfert,

le collage du béton sur le support et donc la réduction des pertes.

Un excès d’éléments fins a une incidence sur la maniabilité du mélange (plus grande surface

spécifique des fines impliquant un besoin augmenté en eau) et sur la qualité du béton (retrait).

Lors de la projection par voie sèche, les fines et l’eau assurent la formation de la couche d’accueil

ce qui réduit les pertes. Un excès de fines accentue les émissions de poussières à la lance et à la

machine, engendre des bouchons par colmatage en sortie de machine, augmente le besoin en eau et

constitue une gêne à l’homogénéité du mouillage à la lance.

3.3.5 Qualité du ciment

La qualité des bétons, les contraintes du chantier et les objectifs des travaux déterminent le choix de

la qualité du ciment (P 18-011 et XP P 18-305). Une large gamme de ciments peut convenir

[ASQUAPRO, 2003, a-]. L’utilisation de mélanges peut être autorisée par le maître d’œuvre sous

justification de l’entrepreneur [Fascicule 69, 1982].

3.3.6 Dosage en ciment

Le dosage en ciment exigible dépend de la classe du ciment et de la résistance du béton requise.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

épaisseur de la co uche d e b ét on ( cm)

Figure 18 : variation de la teneur en ciment dans l’épaisseur de la couche de béton projeté

teneur en ciment dans le béton teneur en ciment initiale dans le mélange



Le dosage en ciment le plus courant pour la voie sèche est 350 kg/m³ de mélange [Resse et Vénuat,

1981]. Le CCTG exige un dosage minimum en « ciment actif » de 275 kg/m³.

Le rebond sélectif des graviers, lors de la projection par voie sèche, induit un enrichissement en

éléments fins (dont le ciment) important au contact du support (cf figure 18). Cet enrichissement est

d’autant plus important pour les faibles épaisseurs projetées. Il est donc inutile de sur-doser en

ciment les mélanges à projeter par voie sèche.

L’absence d’enrichissement exige une augmentation de la teneur en ciment de 30% [Resse et

Vénuat, 1981] ce qui correspond à 450 kg/m³. En pratique, le dosage en ciment des mélanges

destinés à la voie mouillée est compris entre 400 et 500 kg/m³.

Souvent, le dosage en ciment des mélanges à projeter par voie mouillée fournit à lui seul la teneur

en fines minimale. Pour les mélanges à projeter par voie sèche, la teneur minimale en fines est

atteinte en prenant en compte les fines du sable. Il n’y a donc théoriquement aucune nécessité

d’ajouter des fines inertes supplémentaires dans les mélanges.

3.3.7 Humidité des granulats ou la préhumidification

Les mélanges à projeter par voie mouillée ont un rapport E/C (quotient eau sur ciment en poids) de

0,40, ce qui correspond à environ 10% d’humidité des granulats.

En voie sèche, l’humidité tolérée des granulats est limitée à 7% (optimum entre 2 et 4% pour

l’AFTES [AFTES, 1993] et entre 2 et 6% selon le CCTG), ce qui correspond à 5% maximum de

teneur d’eau.

Il peut s’avérer nécessaire de prévoir le stockage des granulats dans un endroit abrité.

Une faible teneur en eau dans les mélanges améliore la projection des bétons par voie sèche :

amélioration de l’hydratation [Maguet, communication orale] d’où une augmentation de la

résistance,

amélioration du passage en machine (dû au foisonnement) [Maguet, communication orale],

réduction des poussières.

En revanche un excès d’eau provoque des perturbations dans les installations et gêne la projection

(baisse du débit, colmatage). La quantité d’eau à ajouter pour la préhumidification doit donc faire

l’objet d’un compromis

L’humidité naturelle des granulats doit être prise en compte pour ajuster les quantités de chaque

constituant (sable, graviers et eau) pour les mélanges correspondant aux deux modes de projection.

Elle est automatiquement prise en compte dans les centrales à béton (sonde hygrométrique).



La répartition de l’eau dans le mélange doit être homogène.

3.3.8 Teneur en eau

La norme NF P 95-102 relative au béton projeté mentionne que l’eau doit être potable. La norme

NF P 18-303 sur l’eau de gâchage des bétons est moins limitative : les eaux de lavage sont tolérées

et font l’objet d’une annexe.

Lors de la projection par voie sèche, la teneur en eau optimale est appréciée par l’ouvrier de

projection en fonction du comportement du mélange à la projection. La compétence du porte-lance

est donc gage de qualité pour le béton.

Lors de la projection par voie mouillée, la teneur en eau (rapport E/C) est déterminée en fonction de

la résistance requise du béton. La quantité de fluidifiant est ensuite adaptée en fonction de la

consistance du mélange. Selon l’exigence sur la résistance du béton, le formulateur adapte la

quantité d’eau et de super-plastifiant.

Généralement la valeur du rapport E/C admis sur chantiers se situe entre 0,40 et 0,50. Pour obtenir

des bétons plus résistants, on peut baisser ce rapport à 0,30 mais cela augmente considérablement le

dosage en fluidifiant et en raidisseur (incidence sur le coût). Pour des bétons de faible résistance

(B16-B20), ce rapport peut être porté à 0,60 mais il faut s’assurer de l’absence de ségrégation et de

délavage du béton dans les tuyaux.

3.3.9 Adjuvants et ajouts

Les différents produits utilisés doivent être compatibles entre eux et avec les autres composants du

béton. Leur emploi n’est autorisé que si l’influence sur les caractéristiques du béton est connue et

acceptée par le maître d’œuvre [Fascicule 69, 1982].

Parmi les adjuvants et ajouts les plus utilisés en béton projeté, on peut citer :

les fluidifiants, souvent des super-plastifiants, pour augmenter la plasticité des mélanges à

projeter par voie mouillée sans accroître la teneur en eau,

les accélérateurs de prise ou raidisseurs, pour assurer la tenue du béton sur le support (voie

mouillé) ou pour augmenter les épaisseurs de projection (voie sèche),

la fumée de silice (cf § 1.5.2).

Les Canadiens utilisent systématiquement des entraîneurs d’air (cf § 1.5.3) aussi bien pour la voie

mouillée que pour la voie sèche. Ce n’est pas le cas en France.

Une nouvelle génération de fluidifiant commence à être utilisée : des stabilisateurs de rhéologie de

longue durée dont l’action est inhibée par l’ajout à la lance d’un activateur (voie mouillée).



Certains raidisseurs ou accélérateurs de prise peuvent entraîner une baisse des performances

mécaniques (NF P 95-102) qui peut être très marquée : baisse de 47 MPa sans accélérateur à 40

MPa avec accélérateur [Kuroda et Doriot, 2002].

Lors de la projection par voie sèche, l’emploi d’un raidisseur doit tenir compte du lieu

d’introduction de ce produit selon son état (liquide ou poudre) et celui du mélange (préhumidifié ou

non) tant son action est rapide.

3.4 Cas de l’emploi des fibres et/ou des armatures ou treillis

3.4.1 Renforcement des bétons projetés

Le béton développe une très bonne résistance en compression mais pas en traction. Lorsqu’il est

soumis à des efforts de traction importants (poutre sur deux appuis supportant une charge élevée), le

béton doit être renforcé avec de l’acier.

Selon les contraintes subies par le béton, le renforcement peut être réalisé avec des armatures, un

treillis soudé ou des fibres métalliques. Le grillage torsadé et le métal déployé ne sont pas

considérés comme des éléments de renforcement.

La dimension des armatures, leur positionnement et l’épaisseur de recouvrement par le béton

doivent suivre les prescriptions du BAEL. Il est également fait mention du cas d’emploi de fibres ou

de treillis soudé.

L’emploi d’un treillis soudé dans le cadre de la projection doit répondre aux exigences suivantes :

maille suffisamment grosse ne gênant pas la projection (supérieure à 100 mm),

accrochage ferme du treillis sur le support afin d’éviter les vibrations du treillis qui

génèreraient des décohésions dans le béton, nuiraient à la tenue du béton sur le support et

augmenteraient les pertes,

distance du treillis au support à adapter selon les travaux à réaliser. Le CCTG [Fascicule 69,

1982] préconise une distance de 20 à 70 mm mais dans la réalité le treillis peut être plaqué

au support ou à plus grande distance selon les irrégularités du terrain.

3.4.2 Rôle des différents types de fibres

Les fibres principalement utilisées dans les bétons projetés sont (cf caractéristiques dans tableau 4) :

les fibres métalliques tréfilées,

les fibres synthétiques (polypropylène),

Pour une matrice donnée, les fibres rigidifient le mélange avant projection. (mélange à projeter à

l’état frais). Leur rôle dans le béton durci dépend de leur géométrie et de leur dimension : les micro-



fibres ou les macro-fibres ne jouent pas le même rôle. Les macro-fibres métalliques tréfilées ont un

rôle structurel (comportement en flexion). Les micro-fibres améliorent la résistance en traction.

Le béton est alors rendu ductile (cf figure 19). Les performances d’un béton projeté fibré sont

mesurées suivant le test de poinçonnement-flexion mis au point en France par la S.N.C.F. et

préconisé par l’EFNARC [EFNARC, 1996]. Il existe 3 classes de ductilité exigeant des énergies

d’absorption pour une déformation de 25mm égales respectivement à 500, 700 et 1000 joules. Les

recommandations de l’A.F.T.E.S. font état de 600 joules minimum alors que la norme suisse (SIA-

198) exige 800 joules.

Figure 19 : comportement du béton sous sollicitation de poinçonnement-flexion, fragilité ou ductilité

Les macro-fibres peuvent remplacer un treillis soudé sans être une alternative plus onéreuse, ainsi

pour 10 cm de béton projeté renforcé :

d’un treillis soudé, le coût est 10 à 12 €/m² (faible coût du treillis mais mise en place sur le

support),

de macro-fibres métalliques dosées à 50 kg/m³ (dans le mélange à projeter), le coût est 7,5

€/m² avec des fibres Dramix de Bekaert (tenant compte du coût et du rebond important des

fibres).

Le treillis soudé nécessite une épaisseur minimale de recouvrement ce qui augmente nécessairement

l’épaisseur de béton à mettre en place par rapport à l’emploi de fibres métalliques.

Le dosage en fibres métalliques est généralement de 30 kg/m³ en voie mouillée et de 50 kg/m³ en

voie sèche car les pertes en fibres sont plus importantes. Des dosages plus importants (60 kg/m³ en

voie mouillée) sont envisageables.

Les fibres synthétiques ne peuvent jouer un rôle structurel mais elles améliorent la résistance au feu

du béton. A haute température, leur fusion provoque un réseau de capillaires permettant l’expansion

de la vapeur d’eau et limitant les risques d’éclatement du béton dus à la montée en pression de la

vapeur d’eau. Elles sont introduites dans le béton à des dosages de 1 à 2 kg/m³ selon l’ASQUAPRO

[ASQUAPRO, 1993, a] et entre 0,6 et 0,9 kg/m³ sur chantier [Maguet, communication orale].

Comportement fragile Comportement ductile

Charge maximale

Charge à 25 mm

Energie absorbée à 25 mm



Tableau 4 : caractéristiques des fibres les plus utilisées en béton projeté Fibres métalliques tréfilées Fibres synthétiques

Dimensions Diamètre de 0,3 à 0,6 mm Longueur de 30 à 50 mm

Diamètre d’environ 0,5 mm Longueur d’environ 12 mm

Elasticité Très importante : 300 MPa Faible : 100 MPa

Adhérence à la pâte de ciment Bonne : fibres lisses mais également à relief ou avec un état de surface modifié Faible : fibres à relief

Neutralité par rapport au milieu cimentaire bonne Dosage préconisé 20 à 40 kg/ m³ 1 à 2 kg/m³

Parmi les autres fibres existantes, on peut citer :

les fibres de fonte amorphe,

les fibres de verre,

les fibres d’acier issues des tôles découpées,

les fibres d’acier issues de fraisage ou fibres « copeaux ».

3.4.3 Insertion dans la technologie de projection

L’insertion de fibres modifie la rhéologie du mélange (augmentation du seuil de cisaillement), le

malaxage et le cheminement du mélange depuis son introduction en machine jusqu’à sa mise en

place sur le support.

Les fibres peuvent bloquer le mécanisme en mouvement et l’obturation des alvéoles de la

machine à projeter par voie sèche, elles augmentent l’usure du matériel (joints de la

machine et des tuyaux).

Les fibres augmentent le frottement du mélange voie mouillée dans le tuyau de transfert.

Le rétrécissement à la lance accentue le risque de formation de bouchons. L’introduction

d’air comprimé à la lance peut assécher la pâte de ciment et réduire fortement la

lubrification des fibres, les risques de formation d’oursins sont donc accrus.

Pour des dosages en fibre importants, il est préconisé d’augmenter la quantité de pâte de

ciment pour garantir la lubrification des fibres et améliorer l’adhérence des fibres à la pâte

de ciment.

Dans le jet de projection, les fibres situées en périphérie du flux d’air sont sujettes au

frottement dans l’air et perdent plus rapidement de vitesse que les fibres situées au centre

du jet (pertes par retombées). De plus, certaines fibres sont légères (fibres polypropylène

et de fonte amorphe) et donc se dispersent encore plus dans le jet de projection.

Dans le jet d’air, les fibres rigides sont orientées parallèlement à la projection alors que

sur le support, elles sont perpendiculaires à cet axe, parallèles au support (orientation

préférentielle des fibres). Une forte proportion de fibres rebondit lors de l’impact sur le

support, d’autant plus lorsque la longueur spécifique est grande (rapport de la longueur sur



le diamètre de la fibre). Ce phénomène peut être réduit en augmentant la quantité de pâte

de ciment.

Le comportement du béton post-fissuration dépend de :

la performance des fibres utilisées (rapport L/D, densité du réseau et qualité du fil

[ASQUAPRO, 2003, a-],

l’adhérence pâte-fibre liée à la forme de la fibre et à la composition du béton,

le dosage en fibre.

3.4.4 Méthode de formulation des bétons coulés

Les fibres perturbent la compacité du béton d’autant plus lorsque le dosage en fibres est important.

A partir de 30 kg/m³ de fibres, la composition du mélange doit être adaptée. En deçà de ce dosage,

on se contente d’ajouter les fibres à un mélange au préalable optimisé sans elles. [Rossi, 1998]

La méthode pratique d’obtention d’une formule de béton est la méthode Baron-Lesage développée

au LCPC dans les années 1980, basée sur l’utilisation du maniabilimètre LCPC.

Cette méthode est fondée sur trois hypothèses qui ont été vérifiées par l’expérience [Rossi, 1998]:

à rapport E/C fixé, le béton le plus maniable est celui dont le squelette granulaire est le plus

compact,

le rapport S/G correspondant à cet optimum de compacité est indépendant de la quantité de

pâte de ciment,

l’introduction de fibres ne modifie pas les deux premières hypothèses.

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

0 0 ,5 1 1 ,5 2 2 ,5

R a p p o r t S /G

Man

iabi

lité

(s)

Figure 20 : optimisation de la matrice granulaire selon la méthode de Baron-Lesage

Ainsi on trace la courbe, pour un rapport E/C fixé, de la maniabilité en fonction du rapport S/G pour

déterminer le béton le plus maniable (cf figure 20), donc le plus compact (théorie de Baron-Lesage).

Quantité augmentée de pâte de ciment

Optimum du squelette granulaire

Quantité augmentée de pâte de ciment



On ajuste ensuite la maniabilité souhaitée par le cahier des charges en faisant varier, à E/C fixé, la

quantité de pâte de ciment et de fluidifiant.

L’ajout de fibres dans un mélange préalablement optimisé diminue sa maniabilité (cf figure 21)

dans le sens de la diminution du rapport S/G sur la courbe d’optimisation. Les fibres se comportent

comme des granulats de forme particulière.

Il faut alors adapter le rapport S/G (augmentation de la proportion de sable par rapport à celle des

gravillons) pour atteindre à nouveau la maniabilité initiale.

Figure 21 : optimisation de la matrice granulaire selon la méthode de Baron-Lesage lors de l’ajout de fibres

3.4.5 Méthode de formulation des bétons projetés

Le processus de constitution de la couche de béton nécessite une matrice enrichi en sable par

rapport à un béton courant (béton coulé). L’optimisation selon Baron-Lesage (cf figure 22) ne peut

donc pas être appliquée aux bétons projetés par voie mouillée ou par voie sèche. Les mélanges à

projeté ne sont donc pas à leur optimum granulaire.

L’ajout de fibres dans la matrice de béton a diminué la maniabilité des bétons testés (cf annexe 9).

On a alors remarqué qu’il fallait ajouter des granulats dans le mélange pour retrouver la maniabilité

initiale. A l’inverse que pour un béton optimisé, les fibres ne se comportent pas comme des

gravillons.

Les mélanges à projeter par voie mouillée sont généralement dosés à 30kg/m3, ce qui ne justifie pas

d’adapter la composition par rapport à un mélange ne contenant pas de fibres [Rossi, 1998].

La longueur de la fibre doit être trois fois supérieure au diamètre du plus gros granulat de la matrice

[ASQUAPRO, 2003, a-].

pertes de maniabilité due à l’ajout de fibres dans le mélange optimisé sans fibres

ajout de sable pour atteindre la maniabilité initiale et obtenir à nouveau un mélange optimisé d’un point de vue de sa structure granulaire mélange optimisé sans fibre

S/G

maniabilité (s)

≈ 1,0



Figure 22 : position d’un béton projeté sur la courbe d’optimisation de Baron-Lesage

3.4.6 Conclusion sur l’emploi des fibres

Selon leur dimension et leur matière, les fibres agissent sur la rhéologie, le retrait gêné, la résistance

en traction, le comportement post-fissuration, la tenue au feu.

L’ajout de fibres dans un mélange implique des modifications du comportement du mélange depuis

son introduction en machine jusqu’à sa mise en place sur le support. Les pertes en fibres peuvent

être très importantes selon la dimension, la nature des fibres et la composition du mélange (valeurs

mesurées sur chantiers : environ 30 à 50% en voie sèche et environ 10 à 30% en voie mouillée).

Pour limiter ces divers inconvénients, la littérature préconise d’augmenter la quantité de pâte de

ciment et de réduire la quantité de graviers.

3.5 Comparaison des compositions avec les bétons coulés

La projection nécessite une composition telle qu’elle assure le transport sans bouchon et avec

suffisamment de puissance jusqu’au support pour que le mélange tienne sur le support et

corresponde aux caractéristiques attendues.

De fait, la composition des mélanges à projeter diffère de celle des bétons coulés sur divers points.

Le rapport S/G d’un béton coulé est souvent inférieur à 1 alors que pour les bétons

projetés il est plutôt de l’ordre de 2.

La taille des granulats couramment utilisés en projection est pratiquement toujours limitée

à 10 mm alors qu’en béton coulé, la taille des granulats peut atteindre 25 mm.

Le rapport E/C des bétons projetés par voie mouillée varie dans les mêmes proportions

que pour le béton coulé (entre 0,4 et 0,5).

pertes de maniabilité due à l’ajout de fibres dans le mélange à projeter

S/G d’un mélange à projeter par voie mouillée donc non optimisé d’un point de vue de la structure granulaire

béton coulé optimisé d’un point de vue de la structure granulaire

S/G

maniabilité (s)

≈ 1,0



La projection modifie la composition du mélange en place lors de la projection par voie

sèche et non par voie mouillée. On observe alors un appauvrissement en graviers et un

enrichissement en fines de l’ordre de 10 à 20 % selon le type de mélange et l’épaisseur

projetée (NF P 95-102). Le processus de constitution de la couche de béton diffère

également, ce qui devrait induire une différence dans les courbes granulométriques

préconisées par la norme 95-102, ce qui n’est pas le cas actuellement.

La tenue du béton au support nécessite plus de mortier (ciment, fillers, sable et eau) dans

le cas des bétons projetés que pour les bétons coulés. La teneur en ciment est équivalente :

entre 350 et 400 kg/m³. En revanche, la teneur en sable par rapport à la teneur en graviers

est plus importante dans le cas de la projection (rapport S/G plus élevé).

3.6 Conclusion : formulation des bétons projetés

La formulation d’un mélange à projeter ne suit pas une démarche logique aboutissant à la définition

d’une composition adaptée comme c’est le cas des bétons coulés. Elle se limite actuellement à une

série de compromis sur chaque constituant, basée sur la norme NF P 95-102 et les recommandations

de l’AFTES. Ces documents font une différence entre la formulation voie sèche et voie mouillée

uniquement pour la teneur en ciment et non pour la structure granulaire du mélange. Or les deux

modes de projection ne génèrent pas la même constitution du béton sur le support et donc n’exigent

pas des mélanges de même structure granulaire.

La composition d’un mélange à projeter diffère de celle d’un béton coulé : globalement un mélange

à projeter contient plus d’éléments fins et le diamètre du plus gros grain est limité. Ces différences

sont liées aux caractéristiques du procédé de projection.

Les fibres, selon leur dimension, améliorent la répartition des fissures de retrait gêné et limitent

l’ouverture de ces fissures. Les macro-fibres métalliques jouent une rôle de renforcement des

structures. La consistance du mélange contenant des fibres doit être adaptée car les fibres

diminuent la maniabilité des mélanges frais (technique de projection par voie mouillée).

Chapitre 4 : Conception des expérimentations CEVEM et CEVES


« A quoi bon soulever des montagnes quand il est si simple de passer par dessus ? » Boris Vian

Chapitre 4 Conception des expérimentations : voie mouillée (CEVEM) et voie sèche (CEVES)

L’objet de ce chapitre est :

d’expliciter les objectifs qui ont conduit à la réalisation de deux campagnes

expérimentales,

de définir les domaines d’étude précis de ces deux campagnes,

de justifier par les besoins et l’expérience le choix des paramètres d’étude et des

essais à réaliser,

de présenter en détail les deux campagnes (compositions des mélanges,

expérimentations complémentaires).

Il n’est pas fait mention, dans ce chapitre, des résultats obtenus. Cependant, un bilan

qualitatif est présenté, pour chaque campagne, d’après une réflexion sur le déroulement de

l’expérimentation (conditions d’exécution, aléas).

4.1 Objectifs

4.1.1 Qualités des informations recueillies

L’utilisation du béton projeté est largement répandue depuis 1920 dans les différents

domaines qu’on lui connaît actuellement (cf § 1.7). L’expérience des chantiers a permis

d’améliorer les connaissances sur le sujet. Il apparaît cependant que ces connaissances restent

empiriques et leurs transmissions orales, ce qui les rendent difficilement exploitables car

détachées de leur contexte.

Le béton projeté fait l’objet d’études, par exemple, dans le domaine français du béton fibré.

La SNCF a organisé, en collaboration avec différents fournisseurs, de nombreux essais pour

définir le domaine d’emploi des différentes fibres commercialisées et le dosage adéquat

[SNCF, 1990]. Elle a par ailleurs contribué à la mise en place d’un essai représentatif pour les

bétons fibrés (essai de poinçonnement-flexion soumis à la commission de normalisation

européenne et validé par l’EFNARC [EFNARC, 1996]) et à la confection du béton à

Résistance Initiale Garantie (résistance en compression à 3 h supérieur à 3 MPa).

Les pays utilisant le plus le béton projeté ont lancé des programmes de recherche concernant

des domaines d’emploi spécifiques :



Canada : tenue au gel - dégel des bétons projetés,

Norvège : revêtement définitif de tunnels par béton projeté,

Allemagne : nouvelle méthode autrichienne de construction de tunnels,

Suisse : emploi des granulats provenant de l’excavation [Weiss, 2002],

Japon : procédé de projection permettant de réduire la production de poussière

[Yamashi et al., 2002 ; Suzuki et al., 2002],

Afrique du Sud : transport de béton pour la projection de béton au fond d’un puits de

mine de grande profondeur [Parrish et Hague, 2002].

L’ensemble des informations recueillies restent restreintes et incomplètes comparativement

aux banques de données concernant les bétons coulés.

4.1.2 Etudes des bétons projetés

Le béton projeté n’est pas un matériau qui peut s’étudier uniquement en laboratoire. Les

caractéristiques de la projection et les paramètres extérieurs influent directement sur la qualité

du béton en place. La logistique est lourde et la technique nécessite des compétences

spécifiques.

Des études expérimentales ont été menées par la SNCF pour valider les performances des

fibres. L’Université de Vancouver (Canada) a orienté ses actions de recherche dans l’étude de

l’influence de la dimension et de la géométrie des fibres sur les bétons projetés [Banthia et

al., 1992 ; Banthia et al., 1993 ; Banthia et al., 1994] et sur les rebonds [Armelin et al., 1997,

a- ; Armelin et al., 1997, b- et Armelin et Banthia, 1998, a-, b- et c-]. L’Université Laval

(Québec) a orienté ses actions de recherche sur la résistance du béton au gel – dégel [Vezina,

2001 ; Beaupré et al., 2001], sur le comportement du béton frais [Beaupré, 1994 ; Jolin,

1999 ; Jolin et al., 2001 ; Beaupré et Jolin, 2002] et sur la qualification des ouvriers de

projection [Beaupré et Jolin, 2001].

L’aspect structurel a été étudié sur des poutres et des poteaux exécutés avec du béton projeté

en France par le LCPC et le LR d’Aix-en-Provence [FAER, 1987] dans le cadre d’une étude

FAER et en Allemagne par les Universités de Karlsruche et Borhum ont également travaillé

sur des essais structurels.

Les essais de modélisation portent sur :

la vitesse des éléments en sortie de lance [Armelin et al., 1999 ; Ishiseki et al., 2002],

les rebonds [Armelin et Banthia, 1998 a- et b- ; Puri et Uomoto, 1999 ; Huu Duy

Phang et Uomoto, 2002],



l’influence des accélérateurs [Hosokawa et Uomoto, 2002 ; Hirama et al.,2002].

Lors des études de dimensionnement des ouvrages, les caractéristiques des bétons projetés

sont prises en compte [ASQUAPRO, 2003, b-]. Les valeurs de résistance en compression

sont mesurées sur les bétons projetés, mais les autres grandeurs sont :

soit des valeurs forfaitaires issues de l’expérience du dimensionnement (module),

soit des données issues des connaissances sur les bétons coulés (coefficient de

Poisson).

La structure des bétons coulés diffère de celle du béton projeté (porosité, proportion de pâte

de ciment et de gros granulats).

4.1.3 Objet de l’étude

Notre travail a pour objectif d’apporter des connaissances détaillées sur les bétons projetés en

intégrant la formulation des mélanges, la caractérisation des bétons et de la projection grâce à

deux campagnes expérimentales de projection de béton (une pour chaque mode de

projection).

Le choix des bétons étudiés dépend des paramètres de formulation retenus en fonction de leur

importance dans la bibliographie. Quelques paramètres de projection déterminants sont

également étudiés.

Ces différents bétons sont caractérisés par des essais (avant, pendant et après la projection)

pour, d’une part obtenir des fourchettes de valeurs et, d’autre part étudier l’incidence des

paramètres sur la projection du mélange et sur les caractéristiques en place du béton.

Les caractéristiques mesurées sont à la fois des grandeurs courantes (résistance en

compression) et des grandeurs utilisées mais peu souvent mesurées (module, coefficient de

Poisson, résistance en traction), avec le but de valider les valeurs forfaitaires actuellement

retenues (AFTES et BAEL notamment) et permettre ainsi de préciser les calculs de

dimensionnement.

Les deux campagnes doivent également permettre d’avoir des informations sur des

caractéristiques très spécifiques des bétons comme le retrait et le fluage, la tenue au feu ou la

résistance au gel - dégel et le comportement des bétons projetés par voie sèche vis-à-vis de

l’alcali-réaction.



4.2 Art de la projection et règles communément admises

L’art de la projection consiste à savoir :

mettre en place un mélange sur le support avec le minimum de pertes,

confectionner un béton répondant aux exigences de qualité (on suppose alors que la

composition du mélange le permette).

La production de pertes est également liée à la composition du mélange. Ainsi un mélange

mal proportionné (contenant plus de gravillons que nécessaire) génère naturellement plus de

pertes. Ce n’est pas l’objet de ce chapitre : on suppose que le mélange est correctement

formulé et on ne s’intéresse qu’à l’influence du porte-lance.

A partir des connaissances développées sur les règles de l’Art, des expériences ont été

entreprises par différents organismes [Linder, 1976], [Resse et Vénuat, 1981], de manière à

comprendre l’influence de certains facteurs et d’estimer les valeurs optimales pour une

parfaite projection.

4.2.1 Qualité du béton projeté

La qualité du béton projeté (résistance en compression) est intimement liée à la compacité du

mélange en place. En termes de structure du matériau, cela se traduit par :

la manière dont les granulats s’incrustent dans la pâte de ciment ou martèlent la

couche déjà en place pour la projection par voie sèche (cf figure 15), cette notion est

donc liée à la force de projection,

la teneur en eau dans le béton en place,

la consistance.

Figure 23 : processus de génération de fissures lors du compactage d’un béton projeté par voie sèche

choc induisant des efforts de traction dans un béton à tendance sèche, tensions tangentes à la surface de projection et génératrice de fissure



Un serrage excessif, dû à une forte force d’impact, peut engendrer des fissures dans le béton

(cf figure 23).

A ce propos, Austin et Robins [Austin et Robins, 1995] ont montré qu’un mélange trop peu

hydraté se compacte plus difficilement (E/C < 0,3). Un mélange trop hydraté pose également

des problèmes au compactage. Il existe donc une teneur en eau optimale.

La constitution de la couche de béton projeté par voie mouillée s’effectue par le collage des

éléments projetés sur support ou sur le matelas déjà en place (cf figure 16). La force de

projection participe, bien sûr, au compactage du béton, mais de manière moins importante

qu’en voie sèche.

Les pertes sont indissociables de la mise en œuvre par projection et de la notion de qualité du

béton projeté : le martelage est générateur de compacité. Ces deux exigences principales

(pertes minimales et qualité maximale) font donc l’objet d’un compromis dans le choix de la

vitesse d’impact des éléments (choix par le biais du réglage de la distance lance-paroi (cf §

4.2.4)).

4.2.2 Expérience de l’ouvrier de projection

La qualification et la compétence du projeteur sont nécessaires pour une bonne évaluation des

paramètres influant sur la projection (réglage du débit d’air, du débit d’eau, choix de la

distance lance-support de projection), surtout en voie sèche.

L’expérience est également très importante pour une estimation visuelle et qualitative de la

projection au cours de la mise en œuvre : pertes au sol, appréciation du serrage du béton

(estimation plus délicate) afin d’ adapter la projection.

Figure 24 : compactage du béton lors de la projection par voie sèche

énergie transférée élevée ⇓

zone endommagée importante ⇓

apparition de fissures transversales dans le béton

énergie transférée faible ⇓

faible zone endommagée ⇓

rebond des graviers



L’élément indicateur du serrage (cf figure 23) du béton est alors la réaction du matelas de

béton lors de l’impact des éléments projetés et de l’incrustation de ceux-ci (cf figure 24).

La gestuelle du porte-lance a une incidence sur les pertes et l’homogénéité du béton, gages de

qualité (cf § 4.2.5).

Les pertes peuvent également provenir d’une mauvaise technique de projection (réglage de

l’eau ou consistance du mélange, mouvement et position par rapport au support). Le

minimum de pertes dépend donc de la compétence de l’ouvrier chargé de la projection.

4.2.3 Teneur en eau dans le béton

La teneur en eau des bétons projetés par voie mouillée est donnée dès la confection en

centrale (à l’apport en eau des accélérateurs près). Elle dépend de la consistance nécessaire à

la projection.

Lors de la projection par voie sèche, la consistance du matelas de béton déjà en place (liée au

mouillage à la lance) influe sur la facilité d’incrustation des gravillons dans la couche de

béton et donc sur les rebonds (cf figure 25).

Figure 25 : comportement des granulats lors de l’impact sur le support en fonction de la consistance du matelas de béton déjà en place lors de la projection par voie sèche

La consistance adéquate est estimée par la brillance du support projeté (limite mat-brillant du

béton en place). Elle dépend donc du bon réglage du débit d’eau à la lance. Ce réglage

s’effectue lors de la projection et de ce fait, les rebonds et les poussières, en quantité

importante, gênent l’ observation.

On comprend donc la difficulté d’acquérir le savoir-faire nécessaire à la projection.

mélange trop ferme ⇓

manque d’eau

bonne consistance ⇓

bonne hydratation du mélange

mélange trop plastique ⇓

excès d’eau



4.2.4 Distance lance-paroi

La distance optimale entre la lance et le support est fonction de la vitesse des éléments en

sortie de buse (cf figure 26).

Figure 26 : influence de la distance lance-paroi sur les pertes en matériaux [Linder, 1976]

Cette distance est généralement comprise entre 0,50 et 1,50 m. En deçà de cette valeur les pertes par

rebonds sont importantes, au-delà ce sont les pertes par retombées qui prévalent, le mélange ayant

alors des difficultés à atteindre le support. Le choix de la distance lance-support adéquate est réalisé

par le porte-lance en fonction de la quantité de rebonds et du serrage du béton (cf § 4.2.4).

Lors de la projection de bétons fibrés, les pertes en fibres peuvent être minimisées en réduisant le

débit d’air et la distance lance-paroi.

Lors des campagnes expérimentales, cette distance, une fois estimée, a été conservée durant toute la

durée des essais. Pour la voie mouillée le porte-lance a tenu la buse à 1,00 m du support. Lors de la

projection par voie sèche, cette distance valait 1,20 m.

4.2.5 Méthodologie de projection

La répartition homogène du béton sur le support est gage de qualité du béton. Elle est obtenue en

imposant deux mouvements circulaires à la lance (cf figure 27) :

un premier mouvement du « poignet » pour que le jet décrive un cercle de 5 à 10 cm de

diamètre sur le support,

un second mouvement circulaire de l’ensemble de la lance et du tuyau dessinant un cercle de

rayon d’environ 50 cm en translation.

Ce double mouvement, effectué en translation horizontal depuis le bas du support jusqu’en haut,

garantit un remplissage homogène de la zone à traiter et favorise la réduction des pertes.



Figure 27 : conseils relatifs au geste du projeteur [Maguet et Godard, 1999]

L’angle d’incidence du jet sur le support est un critère également important. La projection

perpendiculaire au support réduit les pertes (cf figure 28). Cette incidence facilite la reprise dans le

jet d’éléments de rebonds.

Figure 28 : influence de l’incidence sur les pertes [Resse et Vénuat, 1981]

Parfois le contexte du chantier ou la géométrie du support ne permettent pas de respecter

scrupuleusement ce critère. Les incidences s’écartant de cette orientation optimale augmentent les

pertes. Elles génèrent, en plus du rebond couramment admis, des pertes par ricochets d’éléments qui

auraient pu adhérer au support avec une incidence nulle (projection perpendiculaire au support de

projection). Il est impossible de projeter à partir d’un angle de 60° (100% de pertes) [Santiago,

1992].

4.2.6 Débit d’air

Le réglage du débit d’air (pour les deux modes de projection) et du débit d’eau (pour la voie sèche

uniquement) a une incidence sur les pertes, les poussières et sur la qualité du béton en place

(compacité, résistance en compression).



Le débit d’air optimal est le résultat d’un compromis entre les pertes produites et la compacité

nécessaire (résistance en compression, retrait).

4.2.7 Débit d’eau

Le réglage du débit d’eau, lié au rapport E/C du béton, doit prendre en compte la qualité du matelas

de béton (suffisamment mouillé pour que la plasticité du support favorise l’incrustation des

granulats, mais pas trop mouillée non plus pour que le matelas de béton soit suffisamment compact

comme le montre la figure 25). Le bon mouillage du mélange assure l’hydratation des grains de

ciment, gage de la qualité du béton. Un bon réglage du débit d’eau nécessite beaucoup d’expérience

et de savoir faire.

4.2.8 Support

Le support doit être aussi sain que possible : purge des éléments non adhérant, voire sablage si

nécessaire. Il doit être également suffisamment hydraté pour ne pas être le siège de transfert d’eau

asséchant le béton projeté (cf figure 29).

Figure 29 : apparence du support permettant une optimisation de la projection

La compétence et l’expérience de l’ouvrier assurant la projection est primordiale pour :

le réglage des différents paramètres,

la réduction des pertes,

l’obtention de la qualité,

le choix du matériel et ses réglages,

surface sèche : transfert de l’eau du béton vers le support

surface brillante : trop d’eau sur le support empêchant l’adhérence du béton sur le support

surface mate : bonne hydratation du support

augmentation de l’hydratation du support



la maîtrise de l’Art de la projection.

4.3 Paramètres de formulation étudiés (cf annexe 3)

La consistance des bétons projetés par voie sèche n’a pas été contrôlée. Or cette consistance a une

incidence immédiate sur la quantité de rebonds et donc sur la composition en place et la résistance

des bétons.

4.3.1 Fibres (cf § 3.4)

Historiquement, les fibres ont été introduites dans les bétons pour limiter les phénomènes de retrait

dans les dalles. La géométrie du béton projeté dans les tunnels est comparable à celle d’une dalle

voûtée, l’emploi de fibres est donc particulièrement bien adapté. Les fibres métalliques, en plus du

rôle de coutures des fissures de retrait, apportent un renforcement structurel à l’ouvrage, en

remplacement du treillis soudé ou des armatures métalliques de faibles dimensions. Ce procédé est

utilisé par la SNCF car il réduit la durée des chantiers, critère important du cahier des charges, et

permet la réparation des ouvrages ferroviaires sans arrêter la circulation.

Les fibres polypropylène ont un rôle supplémentaire : elles améliorent le comportement au feu des

bétons en fondant lors de la montée en température et en créant ainsi un réseau capillaire.

Seules les fibres métalliques, de renforcement, ont été étudiées lors des campagnes expérimentales

réalisées. Ce sont des fibres Dramix de Bekaert encollées et munies de crochets aux extrémités (cf

annexe 1).

Les dimensions des fibres utilisées dans le domaine de la projection avoisinent 30 mm de longueur

pour un diamètre de 0,55 mm. Six fibres différentes ont été testées en voie mouillée contre 3 pour la

voie sèche. Ces différentes fibres sont présentées dans le tableau suivant :

Tableau 5 : dimensions et longueur spécifique (L/D) des fibres utilisées pour chacune des deux campagnes (VS ou VM) Diamètre (mm) Longueur (mm) 0,38 0,50 0,55 0,62 0,75

30 VM : W1et VS : D1 L/D = 79

VM : W2 L/D = 50

VM : W3 et VS : D2 L/D = 54 VM : W7

L/D = 40

35 VM : W4 et VS : D3 L/D = 64

50 VM : W5 L/D = 81

Longueur spécifique L/D : rapport de la longueur de la fibre sur son diamètre

La fibre la plus petite (W1 et D1 : 30*0,38 mm) est donné comme la plus performantes dans des

matrices de hautes performances donc fragiles [Rossi, 1998]. Elles sont en acier haut carbone car

pour un tel diamètre un acier bas carbone ne serait pas suffisamment résistant. Ce traitement

supplémentaire n’a aucune incidence sur l’adhérence de la pâte de ciment sur la fibre.



Le dosage en fibres le plus courant est de l’ordre de 30 kg/m³ pour la voie mouillée, ceci assure un

dosage en place généralement compris entre 20 et 25 kg/m³ selon les fibres. Un mélange dosé à

60 kg/m³ de fibres a également été testé. Le mélange contenant 80 kg/m³ de fibres a pu être pompé

mais pas projeté. Les observations faites permettent d’être optimiste sur la possibilité de projeter un

mélange fortement dosé en fibres en adaptant peut être la capacité de la machine mais surtout la

composition du mélange (ajout de pâte de ciment).

La projection par voie sèche génère plus de pertes en fibres (entre 30 et 50% contre 5 à 20% en voie

mouillée), les mélanges à projeter ont donc été plus fortement dosés en fibres : 50 kg/m³. L’étude

n’a concerné que trois fibres et un seul dosage mais la SNCF a déjà réalisé de nombreux essais sur

ce thème, nous y ferons référence.

4.3.2 Additions

Les fines (diamètre inférieur à 80 µm) couramment utilisées dans les bétons se divisent en deux

groupes :

les additions : fillers inertes (type 1),

les additions actives : pouzzolanes (type 2) qui réagissent dans le milieu cimentaire et se

transforment en hydrates liants (NF P 18-501).

Les fillers agissent dans les bétons comme correcteur granulaire, ils augmentent la compacité. La

réaction pouzzolanique est une réaction lente et elle se manifeste au-delà de 28 jours.

Des fillers inertes ont été utilisés dans la campagne voie sèche avec différents dosages (ajout de 0

ou 4 ou 8,8 % du poids total du mélange sec, soit 0 ou 22,2 ou 48,9% du poids de ciment) pour

étudier l’incidence de la teneur en éléments fins dans la formulation des mélanges. Les fillers

utilisés sont des calcaires de la vallée de l’Ain, dont la taille maximale est de 100 µm.

Lors de la projection par voie mouillée, l’incidence de la fumée de silice (Sikacrete P) a été testée

avec un dosage de 15 kg/m³ de béton, soit 3,8% du poids de ciment (préconisation du fournisseur

d’adjuvant). Le dosage le plus courant dans les bétons coulés est de 10 % du poids du ciment

(NF P 18-502).

4.3.3 Granulats concassés

Dans le domaine de la projection, les granulats roulés sont préférés aux granulats concassés car ces

derniers génèrent une forte abrasion dans la machine et les tuyaux



La législation en vigueur interdit l’ouverture de nouvelles gravières, l’avenir verra donc augmenter

l’utilisation des granulats concassés. Certains concasseurs permettent d’obtenir des granulats moins

anguleux donc moins gênants pour la projection.

L’emploi de granulats concassés à la place de granulats roulés peut impliquer une modification de

la composition (particularité géométrique des granulats, courbe granulométrique, teneur en fines).

Cela n’a pas été le cas lors des deux campagnes expérimentales.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)

gravillons roulés

gravillons concassés

Figure 30 : courbes granulométriques des granulats roulés et concassés utilisés lors de la campagne expérimentale de projection par voie mouillée

En termes de résistance, il est admis que les granulats concassés améliorent l’adhérence pâte-

granulats donc la résistance en compression du béton.

Des mélanges contenant des granulats concassés en remplacement des granulats roulés ont été

testés. Les granulats concassés ont la même origine que les granulats roulés mais se déclinent en

deux coupures granulaires : 4-6 mm et 6-10 mm (contre une seule 4-10 mm pour les graviers

roulés). La granulométrie des granulats concassés (cf annexe 1) a été reconstituée de manière que la

courbe granulométrique des granulats concassés s’apparente à celle des granulats roulés (cf figure

30).

Les graviers sensibles aux alcalins testés lors de la projection par voie sèche sont également des

granulats concassés (cf figure 31).



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)

mélange de granulats roulés non réactifs

mélange de granulats concassés non réactifs

mélange de granulats concassés réactifs RL

mélange de granulats concassés réactifs RM

mélange de granulats concassés réactifs RT

Figure 31 : courbes granulométriques des granulats roulés et concassés (réactifs ou non) utilisés lors de la campagne expérimentale de projection par voie sèche

4.3.4 Granulométrie des granulats (cf annexe 1)

Les observations de chantier montrent l’importance du choix de la granulométrie pour garantir le

bon passage du mélange dans le corps de la machine et dans la tuyauterie. La granulométrie a

également une incidence sur la constitution de la couche de béton projeté et la qualité de celle-ci.

Un déséquilibre de la composition en faveur des gravillons favorise le compactage, mais les pertes

sont alors excessives. A l’inverse, un déséquilibre en faveur du sable réduit les pertes et le

compactage, mais augmente le retrait. Cette remarque est vraie pour les deux modes de projection

mais elle est plus significative lors de la projection par voie sèche.

La granulométrie est étudiée de manière succincte en voie mouillée par l’intermédiaire du rapport

S/G, trois valeurs sont testées : 1,63, 1,80 et 2,00 pour les mélanges plus fortement dosés en fibres.

Lors de la campagne de projection par voie sèche, quatre courbes granulométriques différentes

comprises entre les bornes inférieure et supérieure du fuseau normatif (NF P 95-102) ont été

évaluées (cf figure 32). Pour réaliser ces quatre courbes, on a fait varier la proportion des quatre

coupures granulaires utilisées. Le mélange prêt à l’emploi se situe en partie médiane du fuseau

normatif.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)

limite inférieure du fuseau

limite supérieure bu fuseau

mélange prêt à l'emploi

C1

C2

C3

C4

Figure 32: courbes granulométriques des mélanges dont le paramètre variant est la granulométrie

4.4 Paramètres de projection étudiés

4.4.1 Débit d’air introduit dans les machines à projeter par voie sèche

La machine à projeter par voie sèche est une machine munie d’un rotor surmonté d’une trémie de

remplissage. Les alvéoles du rotor se remplissent successivement (cf figure 33) et le mélange

emmagasiné est évacué dans le conduit de refoulement situé en partie inférieure du rotor, par

phénomène gravitaire et par flux d’air comprimé. Une nouvelle introduction d’air comprimé ayant

lieu dans le coude du conduit de refoulement, expulse le mélange dans le conduit de transfert

jusqu’à la lance.

Figure 33: principe de fonctionnement des machines à rotor (projection par voie sèche) [Resse et Vénuat, 1981]



La forme et le volume des alvéoles sont choisis en fonction de la taille du plus gros granulat du

mélange et de la texture propre au mélange. Nous disposions d’un barillet de 20 cm de hauteur

formé de 12 alvéoles trapézoïdales.

La machine a été équipée, en sortie, d’un conduit de transfert flexible de diamètre intérieur de

40 mm et d’une longueur de 40 m.

Le débit d’air à introduire pour chasser le mélange dépend du mélange, de la distance de transfert et

du volume de chaque alvéole. Deux débits d’air ont été testés. Un débit d’air trop faible peut

générer des bouchons à la machine, le mélange n’étant pas correctement chassé des alvéoles. En

revanche un débit d’air trop puissant est générateur de poussière et peut engendrer des colmatages

des éléments fins sous les zones de turbulences (cf figure 8). Il accentue la pénibilité de la tâche du

porte-lance et réduit la qualité du béton en place (décohésion du béton en place et augmentation des

pertes). Le débit d’air optimal a été obtenu pour une pression de 3 bars. Le débit d’air minimum

permettant de véhiculer le mélange jusqu’à la lance, correspond à une pression d’air de 1 bar.

Le bon réglage du débit d’air est donc gage de qualité du travail et d’hygiène de la zone de travail.

Ce paramètre est évalué par l’intermédiaire de quatre compositions différentes projetées chacune

pour les deux pressions d’air différentes.

4.4.2 Préhumidification du mélange sec avant introduction en machine

La projection par voie sèche d’un mélange complètement sec (teneur en eau : 0%) génère des

poussières à la lance et à la machine (expérience de chantier et littérature sur le sujet).

La préhumidification est l’ajout d’une petite quantité d’eau (entre 2 et 4%) malaxé au mélange

avant introduction en machine permet de réduire fortement les poussières à la machine et à la lance.

La littérature souligne que la préhumidification du mélange réduit les caractéristiques du béton en

place [Resse, 1981] : la présence d’eau réduit la vitesse du mélange lors du transfert et donc en

sortie de lance, ce qui est défavorable au compactage et à la résistance du béton en place.

L’expérience montre que cette remarque est vraie dès lors que la durée d’emploi du mélange

humide est dépassée. Avant ce délai, la préhumidification du mélange ne semble donc pas réduire

les caractéristiques en place.

Pour trancher sur ce point, quatre compositions différentes sont projetées avec et sans

préhumidification.

De plus, la préhumidification du mélange crée un réseau d’hydratation dans le béton avant même

sont passage dans la lance. Ce réseau favorise la répartition de l’eau ajoutée à la lance (ce

phénomène rejoint le fait qu’une éponge légèrement humide absorbe plus d’eau qu’une éponge



complètement sèche). La répartition de l’eau dans le béton est alors plus homogène ce qui est

favorable à la montée en résistance du béton en place.

4.4.3 Prémouillagedu mélange à la lance

On obtient une réduction des quantités de poussières en équipant le circuit d’une lance de

prémouillage. Le mélange est introduit sec en machine (ce système ne réduit donc pas les poussières

à la machine) mais l’eau est introduite quelques mètres en amont de la sortie (entre 1 et 3 mètres de

manière générale, 1 mètre lors de la campagne). Ce système permet d’améliorer l’homogénéité du

malaxage de l’eau et du mélange sec. Les vitesses de sortie sont moins réduites que dans le cas de la

préhumidification.

Une composition seulement a été projetée avec une lance de prémouillage d’une longueur de 1m.

4.4.4 Compétence de l’ouvrier porte-lance

Le savoir-faire de l’ouvrier de projection a une incidence indéniable sur la qualité du travail

accompli : réglage du débit d’eau, compacité du béton en place et quantité de pertes. Il est très

difficile d’évaluer ce paramètre dans le cadre de la projection par voie sèche, nous nous référerons

donc sur la littérature qui traite de ce sujet.

La projection par voie mouillée ne nécessite pas le même niveau de compétence que la voie sèche

(pas de réglage du débit d’eau, force moindre). Les règles de l’Art de la projection suffisent à

l’obtention de béton de qualité. Quelques mélanges ont été projetés plusieurs fois par des ouvriers

de projection différents.

4.4.5 Emploi d’un raidisseur ou d’un accélérateur de prise et son dosage

Certaines projections par voie sèche utilisent un adjuvant raidisseur. Ceci se justifie dans le cadre de

chantiers spécifiques pour l’obtention de forte épaisseur en une seule passe. Nous n’avons pas

étudié l’influence de ce paramètre.

En France, la projection par voie mouillée utilise systématiquement un accélérateur de prise.

L’efficacité du produit retenu et son dosage dépendent de la projection à réaliser : en plafond ou sur

piédroit. Deux produits distribués par Sika (Sika 40 AF et Sika 53 AF) ont été testés avec

différentes compositions. Pour chaque produit, deux dosages ont été testés (8 et 10% pour le Sika

40 AF et 6 et 8% pour le Sika 53 AF). Rappelons que ce sont des produits exempts d’alcalins

comme le spécifie la norme en vigueur.



4.4.6 Débit de béton en sortie de machineà projeter par voie mouillée

La machine utilisée est une pompe à pistons cylindriques aspirant successivement du béton lorsque

le vérin se rétracte dans sa chemise et le refoulant ensuite dans le conduit via un bras coudé (cf

figure 34).

A : aspiration du béton dans le piston R : refoulement du béton vers le tuyau coudé TC : tuyau coudé assurant le passage du béton des pistons vers le conduit de transfert, alternant sa position afin d’être toujours au droit du piston refoulant

Figure 34 : principe de fonctionnement des machines à pistons (projection par voie mouillée)

Le seul réglage est la vitesse d’action des vérins qui gère le débit du béton pompé. Le débit

maximal accessible avec la BSA 1002 de Putzmeister est 20 m³/h pour une pression de 75 bars.

Cette capacité maximale ne peut être atteinte qu’avec l’emploi d’un robot de projection en bout de

lance. Lors de la projection manuelle, on ne peut guère dépasser 10 m³/h. Deux débits ont été testés

lors des campagnes de projection par voie mouillée : 4,5 et 6 m³/h.

La machine a été équipée, en sortie, d’un conduit de transfert mixte :

30 m de conduit rigide de diamètre intérieur 65 mm,

20 m de conduit souple de diamètre intérieur 50 mm.

4.5 Bilan des paramètres testés

Pour l’étude des différents paramètres (cf tableaux 6 et 7), les campagnes expérimentales ont

nécessité la projection de :

14 compositions pour la projection par voie mouillée, (cf tableau 8),

24 compositions pour la projection par voie sèche (cf tableau 9).

A

R

R

A

sortie vers le tuyau de transfert

TC



Tableau 6 : paramètres de formulation étudiés lors des deux campagnes expérimentales fibres fines granulométrie granulats concassés

Voie mouillée

7 fibres testées 3 dosages

9 compositions

Fumée de silice 1 composition

Rapport S/G 3 compositions

1 composition Même roche que les granulats roulés

Voie sèche

3 fibres testées 1 dosage

3 compositions

Fillers calcaires 4 compositions

Courbe granulométrique 4 compositions

4 compositions 1 : même roche que les granulats roulés

3 : gravillons sensibles aux alcalins

Tableau 7 : paramètres de projection étudiés lors des deux campagnes expérimentales

Ouvrier de projection Réglage de la machine Accélérateur

de prise Lance de

prémouillage Préhumidification

du mélange Stockage du mélange

Voie mouillée

3 ouvriers 2 mélanges

2 débits en matériaux 2 mélanges

2 produits 2 dosages

2 mélanges - - -

Voie sèche

incidence évidente

1 seul porte-lance qualifié

2 débits d’air 3 mélanges

rarement employé 1 mélange 1 teneurs en eau

3 mélanges

2 mélanges 1 : stocké après préhumidification

1 : stocké sec sous abri

En plus de ces paramètres, la reproductibilité de la confection des mélanges et des bétons sera testée

pour la voie mouillée. Pour ce faire, deux des mélanges proposés seront confectionnés et projetés

une nouvelle fois sans modification des paramètres de projection.

Des essais préliminaires de projection ont permis de choisir l’adjuvant fluidifiant, le raidisseur et

son dosage.

Tableau 8 : programme expérimental de la campagne de projection de béton par voie mouillée (numérotation des compositions)

2 qualités de granulats Granulats roulés Avec fibres Sans fibres Avec 30 kg de fibres par m³ de béton 60 kg/m³ 80 kg/m³

S/G Roulés Concassés W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W2+FS W2 W1+FS+ciment-E/C S0 1 - 13 12 2 3 4 5 6 7 8 9 S1 11 10 S2 14

FS : fumée de silice Wx (x = 1 à 7) : numéro d’identification des fibres utilisées dans la campagne de projection par voie mouillée

Tableau 9: programme expérimental de la campagne d’essai de projection de béton par voie sèche (nom des mélanges)

Paramètres variables

Diff

éren

ts

mél

ange

s gr

anul

aire

s

Diff

éren

tes

tene

ur e

n fil

lers

Gra

nula

ts c

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ssés

(c

ompa

rer à

C2-

O)

Mél

ange

prê

t-à-l’

empl

oi

(com

pare

r à C

2-O

)

Empl

oi d

e fib

res

(com

pare

r à S

-O)

Préhumidification C1O C2-O

C3-O

C4-O

C0-O C1O C14-O C18-O CN-

O RT-O

RM-O

RL-O S-O S-D1 S-D2 S-D3

Mélanges secs C2-S

C3-S S-S

Débit d’air minimum C2-R

C3-R S-R

Lance de prémouillage S-P

Stockage du mélange préhumidifié S-D

Stockage du mélange sec sous abri tempéré S-T



4.6 Essais réalisés sur les mélanges et les bétons etudiés (cf

tableau10 et 11)

Tableau 10 : essais réalisés in-situ sur les bétons frais ou pendant la projection Avant projection Pendant la projection

Mode de projection

Con

sist

ance

Gra

nulo

mét

rie d

u m

élan

ge

Tene

ur e

n ea

u

Perte

s en

mat

éria

ux

Perte

s en

fibre

s

Gra

nulo

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rie d

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ton

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n ea

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Film

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Pres

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dan

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tuya

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sfer

t

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sseu

r pr

ojet

able

m

axim

ale

Voie mouillée x x x x béton - * x x x Voie sèche x x x x béton et pertes x x x

* mesure impossible en raison de l’efficacité de l’accélérateur

Tableau 11 : essais réalisés en laboratoire sur les bétons confectionnés lors des deux campagnes expérimentales

Mode de projection

poro

sité

Rés

ista

nce

en

com

pres

sion

Rés

ista

nce

en tr

actio

n (f

enda

ge e

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xion

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rait

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uage

Gel

et d

égel

Tenu

e au

feu

Alc

ali-r

éact

ion

Voie mouillée x x X x 2 bétons x 2 bétons, 2 chargements 5 bétons 8 bétons Voie sèche x x X x 2 bétons x 2 bétons, 1 chargement 5 bétons 5 bétons 3 bétons

4.6.1 Mesures in-situ caractérisant les mélanges à projeter par voie mouillée

mesure de la consistance, ouvrabilité au cône d’Abrams NF EN 12.350-2,

étalement à la table à secousses NF EN 12.350-5,

maniabilité NF P18-452,

air occlus EN 12.350-7,

masse volumique NF EN 12.350-6,

vérification de la granulométrie NF P18-560.

Le fournisseur de la machine à projeter (putzmeister) préconise l’emploi de mélanges ayant un

affaissement au cône de l’ordre de 12 cm (cf annexe 2). Le fournisseur d’adjuvants (Sika) conseille

l’emploi de mélanges plus fluides : entre 15 et 17 cm d’affaissement au cône (cf annexe 2).

La consistance visée pour la mise au point des formules en laboratoire était 17 cm d’affaissement.

La confection des mélanges avec le malaxeur de la centrale a permis d’obtenir, pour ces mêmes

compositions, un affaissement moyen supérieur à 24 cm. Cet écart est imputable à la grande

puissance des malaxeurs de centrale, mais cela a été plutôt favorable pour la suite de la campagne

expérimentale.

La consistance des mélanges très fluides n’a pu être évaluée avec le cône d’affaissement

(affaissements supérieurs à 25 cm), l’étalement à la table à secousses a permis de caractériser ces

mélanges. Le seul essai couramment réalisé sur chantier est l’essai d’affaissement au cône



d’Abrams. Les résultats (cf chapitre 6) montrent cependant que cet essai ne s’applique pas aux

mélanges très fluides dont l’affaissement dépasse 20cm. Nous comparerons donc les mélanges

d’après les résultats d’étalement à la table à secousses.

4.6.2 Mesures in-situ caractérisant les mélanges à projeter par voie sèche

vérification de la granulométrie NF P 18-560,

teneur en eau NF P 18-554 / P 18-555.

Des essais complémentaires ont été réalisés sur les mélanges indépendamment des campagnes

(cf § 4.6.3 et 4.6.4).

4.6.3 Essais de caractérisation en laboratoire du mélange à projeter par voie mouillée

Les mélanges ont été testés au tribomètre et rhéomètre en plus des essais de consistance

traditionnels (affaiblissement au cône, table à secousses).

La projection par voie mouillée est un procédé de pompage avec une introduction d’air comprimé

en bout de circuit pour envoyer le mélange sur le support avec suffisamment de force pour qu’il y

adhère. Les préoccupations sont alors surtout liées aux risques de formation de bouchons dans les

conduits de transfert :

bouchon généré par un mélange trop ferme,

bouchon de granulats généré par délavage du béton.

La mesure de l’affaissement au cône est l’essai le plus connu au niveau international pour

caractériser le comportement à l’état frais du béton. Cet essai qui consiste à mesure l’affaissement

d’un béton frais, au préalable moulé dans cône, lors du démoulage ne mesure qu’une seule grandeur

des caractéristiques rhéologique et ne permet donc pas de cerner le comportement rhéologique du

béton (sa viscosité plastique et son seuil de cisaillement). La seule référence à la consistance du

mélange mesurée avec le cône d’Abrams ne suffit pas pour déterminer la pompabilité d’un

mélange. Beaupré a montré que la caractérisation des bétons projetés de consistance ferme à très

ferme grâce au rhéomètre permet de décrire correctement le comportement de ces bétons [Beaupré,

1994]. Kaplan a montré [Kaplan, 1999, a-] que les grandeurs rhéologiques ne suffisaient pas : la

pompabilité induit des phénomènes tribologiques, mouvement d’un boudin de béton

frottant/glissant contre les parois d’un tuyau métallique et non des frottements béton/béton. La

rhéologie du béton traduit ce second phénomène mais pas le premier, qui lui nécessite les

caractéristiques tribologiques.



Kaplan a également montré qu’il existe une relation linéaire directe entre la pression du béton sur

les tuyaux et le débit de pompage et que la pente de cette relation affine dépend du béton (cf figure

35).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

débit (m3/h)

pres

sion

(bar

s)

Béton Auto-Nivellant

Béton Hautes Performances

Béton Ordinaire

Figure 35 : Courbes rhéologie ou tribologie de bétons pompés [Kaplan, 1999, a-]

4.6.4 Essais de caractérisation en laboratoire du mélange à projeter par voie sèche

L’expérience des chantiers montre que la maîtrise de la granulométrie est un facteur déterminant

pour la projectabilité des mélanges à projeter par voie sèche (passage dans la machine ou dans le

conduit de transfert, formation de la couche de béton projeté).

En prenant comme référence les travaux réalisés sur les mélanges pulvérulents [Duran, 1992 ;

Blaszczyk, 1997 ; Lecomte et Mechling, 1999 ; Ranaïvoson, 1991], nous avons soumis des

mélanges avec différentes teneurs en eau (0, 2, 4, 6 %) à quelques tests :

mesure des angles d’éboulement, d’écoulement et de spatule,

mesure de la densité du mélange en vrac et compacté sous vibration,

mesure de la densité réelle au pycnomètre,

mesure de la dispersibilité.

Angle d’éboulement et d’écoulement

L’angle d’éboulement est formé par l’arête d’un tas conique et le plan horizontal.



L’angle d’écoulement est formé par l’arête d’un cratère et le plan horizontal, cratère formé par

écoulement d’un volume de grain.

On mesure simplement ces deux angles après écoulement d’un volume cubique au travers d’une

ouverture circulaire (cf figure 36). Le tas formé, 20 cm sous l’ouverture, permet de mesurer l’angle

d’éboulement ; le cratère ainsi formé permet de mesurer l’angle d’écoulement.

Plus les angles d’écoulement et d’éboulement sont élevés et plus ce mélange est cohérent.

Figure 36 : angles d’éboulement et d’écoulement

Figure 37 : angles de spatule

angle d’écoulement

angle d’éboulement

angle de spatule



Angle de spatule

L’angle de spatule est l’angle donné par l’arête d’un tas et le plan horizontal. Ce tas résulte du

soulèvement d’une spatule rectangulaire située sous un amas de mélange (cf figure 37).

Plus l’angle de spatule est élevé et plus ce mélange est cohérent.

Densités du mélange (vrac, vibrées, ou réelles)

La mesure de la densité du mélange est réalisée en pesant simplement un volume connu de mélange

en vrac.

Cette quantité de mélange est 4 fois vibrée sur une table vibrante pendant 15 secondes, on mesure

après chaque vibration la différence de volume. On connaît alors la compaction en fonction du

temps de vibration.

Plus un mélange se compacte rapidement et plus il aura tendance à s’agglomérer facilement lors du

passage en machine.

La mesure de la densité réelle est réalisée avec un pycnomètre. Cet appareil permet de mesurer le

volume d’air contenu dans un échantillon donné. La densité est le rapport du poids de l’échantillon

sur le volume de la chambre de mesure du pycnomètre auquel on soustrait le volume d’air mesuré

(cf figure 38).

Figure 38 : schéma d’un pychnomètre

P2

V = V1 + V2

P1

P2 = Patm V2

V1



Dispersibilité du mélange

Figure 39 : mesure de la dispersibilité d’un mélange

La dispersibilité est la capacité du mélange à s’éparpiller dès que sa chute gravitaire n’est plus

confinée (cf figure 39), c’est donc le quotient du poids de mélange s’étant éparpillé au delà des

limites de confinement par le poids de l’échantillon initial. Plus le mélange se disperse et plus il a

tendance à colmater dans le tuyau et à former de la poussière en sortie de la projection.

4.6.5 Essais de caractérisation de la projection

Mesure des pertes

La mesure des pertes est régulièrement réalisée sur les chantiers, elle permet de valider les quantités

de béton inscrites dans le marché. Elle permet également de juger de la capacité de l’entreprise à

projeter correctement du béton. Mais c’est un essai lourd à mettre en place.

Dans notre cas, la mesure des pertes, réalisée lors des deux campagnes, a permis de caractériser la

projectabilité des mélanges. Elle comprend la pesée :

des éléments tombés au sol,

du béton adhérant au support.

La projection a eu lieu dans une zone délimitée par des cloisons de stockage (dimensions de la

zone : 2m * 2m * 2,5m) afin de réduire les dispersions et faciliter la mesure.

partie dispersée du mélange

coupelle de même diamètre que le tube

tube cylindrique de diamètre en relation avec la taille du mélange

mélange versé en vrac

partie non dispersée du mélange



Analyses de la granulométrie

L’analyse de la granulométrie vise à découper le mélange selon des tranches granulaires. Réalisée à

la fois sur le mélange avant projection et le béton, elle permet de quantifier, par comparaison des

deux résultats, l’influence de la projection sur la composition du béton en place.

La prise du ciment nécessite une adaptation du protocole normatif. L’échantillon est prélevé juste

après projection, pesé, délavé et brassé dans une grande quantité d’eau afin de casser les premières

liaisons. Un tamisage sous eau est, ensuite, réalisé (maille de 0,160 mm). L’échantillon est alors

exempt de ciment et peu donc être séché puis tamisé par granulométrie. L’exploitation des résultats

doit tenir compte de la quantité de fines qui a été évacuée par le tamisage en même temps que le

ciment. La connaissance de la teneur en eau, de la teneur en ciment et de la quantité totale de fines

évacuée lors du tamisage permet d’adapter les résultats de l’analyse granulaire.

Mesure des pertes en fibres et du dosage en fibres des bétons projetés

La projection est préjudiciable au dosage en fibres (pertes en fibres plus importantes que les pertes

en matériaux). Or les cahiers des charges mentionnent des dosages minimaux dans le but de garantir

des performances mécaniques des bétons fibrés (contrôlées par des essais par ailleurs).

La mesure des pertes apparaît donc comme une grandeur à contrôler.

La quantité de fibres recueillie sur un échantillon prélevé sur le support est comparée au dosage

initial. Le compactage induit par la projection modifie la densité du béton par rapport au mélange

initial. Il n’est donc pas rigoureux de comparer les dosages exprimés en kg de fibres par volume de

béton.

Poussières générées lors de la projection par voie sèche

Les poussières générées lors de la projection par voie sèche sont un des facteurs à prendre en

compte lors de l’emploi de ce mode de projection. Pour 9 projections différentes des mesures de

poussières ont été réalisées afin d’évaluer les types de projection les plus émettrices de poussières.

Les mesures effectuées concernent tout à la fois les poussières inhalables (d’un diamètre de

100 µm) et les poussières alvéolaires (d’un diamètre de 10 µm) et permettent de déterminer la

fraction siliceuse).

Pour réaliser ces essais, le projeteur a été équipé de deux capteurs munis de filtres prélevant chacun

un échantillon de poussière. Les capteurs ont été mis en marche avant la projection et arrêtés en fin

de projection. Celle-ci s’est déroulée dans un endroit partiellement clos (comme pour la mesure des

pertes) de manière à atteindre une limite supérieure de valeur des poussières.



Au Japon où des efforts sont entrepris pour réduire cette nuisance caustique, les normes exigent des

concentrations de poussières inférieures à 3 mg/m³ à 50 m du lieu de projection.

Pression du béton sur le conduit de transfert lors du pompage et de la projection par voie mouillée

Lors du pompage du béton, le mélange exerce une pression sur le conduit de transfert. La valeur de

la pression dépend du débit et de la facilité de pompage du mélange (caractérisation de la

pompabilité).

A chaque inversion de la course du piston, un vide se crée, qui entraîne une baisse de pression.

La tuyauterie rigide a été instrumentée (dans la section médiane des 5 tuyaux de longueur 6 m et de

diamètre intérieur de 65 mm) grâce à trois jauges de déformations (résistance 120 Ω, facteur de

forme 2,06) placées à 120° les unes par rapport aux autres. Les jauges ont toutes été protégées vis-à-

vis des chocs mécaniques ainsi que des variations thermiques trop rapides en plus de la correction

thermique interne des jauges. Les jauges, par le biais de fils électriques, ont toutes été reliées à un

ensemble constitué de deux centrales d’acquisition (spider 8) pilotées par le logiciel « Capman ».

Des opérations complémentaires ont été nécessaires pour l’exploitation des résultats (étalonnage des

jauges et des tuyaux instrumentés).

Cette instrumentation de mesure a également été réalisée par Kaplan lors de son travail sur les

bétons pompés [Kaplan, 1999, -b].

Epaisseur projetable maximale sur le support ou épaisseur critique

La cohésion interne du béton ou l’adhérence du béton sur le support est évaluée en Amérique du

Nord par un essai : le « build up thickness » [Beaupré et al., 1999]. Les limites de ce test sont

diverses :

la valeur mesurée dépend de la qualité du support,

l’amorce de rupture n’est pas visible et ne correspond pas forcément à la rupture finale,

l’exploitation des résultats doit donc être une comparaison des différentes valeurs.

Les Canadiens indiquent, de plus, que cet essai n’est plus adapté dès lors qu’un accélérateur de prise

est utilisé. Les plots de faible diamètre ne peuvent pas valider l’efficacité du produit.

L’inconvénient d’un tel essai est que l’épaisseur mesurée :

peut fortement dépendre du support (état de surface),

dépend des paramètres de projection (savoir-faire de l’ouvrier de projection et réglage du

débit d’air),



ne tient pas compte des amorces de rupture non visible,

correspond à une forme conique non représentative de la réalité, où les surfaces de

projection sont bien plus importantes et mettent en jeu des effets de masse.

Pour tenir compte de ces remarques, l’essai a été adapté :

implantation d’une accroche artificielle avec des clous dépassant de 2 cm par rapport au

support (sollicitation de la cohésion interne du béton garantie),

projection sur une large surface (1m² environ) pour tenir compte de l’effet de masse,

arrêt de la projection selon avis du projeteur avant rupture, avis dicté par le comportement

du béton.

Un ouvrier qualifié peut estimer, d’après le comportement du béton et plus globalement de la

couche, l’épaisseur au-delà de laquelle le matelas de béton projeté risque de s’affaisser (fissuration,

réaction de la couche de béton lors du martèlement, etc.). Ainsi, le porte-lance a stoppé la projection

lorsqu’il jugeait que la couche allait s’affaisser.

Les informations recueillies ne permettent donc pas de comparer les bétons entre eux (subjectivité

non rigoureuse) mais renseignent sur la cohésion propre du béton. Cet essai a été systématiquement

réalisé en voûte et parfois en paroi verticale.

Visualisation de la projection par films rapides (cf annexe 29 et 30)

Des films rapides ont été réalisés lors de l’impact du béton sur le support pour les deux campagnes

expérimentales. La vitesse lors de l’impact sur le support étant importante, ces vues ont nécessité

l’utilisation d’une caméra numérique rapide permettant d’atteindre des vitesses de 1000 images par

seconde. Ces images doivent permettre de comprendre la formation de la couche de béton et la

manière dont les fibres s’incrustent dans cette couche d’accueil.

4.6.6 Caractérisation de la structure des bétons projetés durcis

La porosité a été mesurée à 28 jours sur l’ensemble des bétons (selon la norme NF EN 1936).

Pour quelques bétons projetés par voie sèche, des mesures de la porosité non connectée ont

également été réalisées selon la norme NF P18-404 et EN 12-390 pour permettre l’interprétation des

résultats concernant l’alcali-réaction et le gel - dégel.

Une mesure de la densité des bétons frais projetés (mesure juste après la projection) est parfois

réalisée par projection directe dans un volume connu (méthode Abrotec). Cette démarche n’est pas

satisfaisante pour plusieurs raisons :

volume étudié trop faible (1 litre),



forme de la boîte inadaptée (piégeage des rebonds),

impossibilité de réaliser la projection.

Une procédure rigoureuse ne peut être mise en place facilement. La densité des bétons projetés frais

n’a donc pas été mesurée.

4.6.7 Mesure de la résistance des bétons projetés durcis

L’essai le plus courant est la mesure de la résistance en compression (NF P 18-406) du béton à

l’échéance de 28 jours. Cette mesure a été réalisée sur tous les bétons testés. Pour certaines

compositions, elle a été complétée par des mesures à d’autres échéances, pour un total de 5 mesures

de 1 à 365 jours.

La résistance en traction a été mesurée :

par fendage (essai de compression sur deux arêtes des carottes) à quatre échéances (de 7 à

365 jours) pour le béton projeté de référence ne contenant pas de fibre (NF P 18-408),

par traction directe avec ouverture de fissure (sur éprouvette entaillée) à une seule échéance

(1 an pour les deux modes de projection).

La mesure de la résistance en traction avec pilotage selon l’ouverture de la fissure (mode opératoire

de l’AFREM) permet de connaître le comportement post-fissuration lorsque les fibres travaillent (cf

figure 40).

Figure 40 : schéma de rupture des bétons ductiles

Pour l’essai de traction des bétons projetés fibrés, les carottes sont prélevées dans la tranche des

caisses (cf figure 41), du fait de l’orientation privilégiée des fibres : perpendiculairement à la

projection [Rossi, 1998].

résistance maximale : rupture du béton

résistance résiduelle : travail des fibres

charge reprise par les fibres, forme de la courbe fonction du comportement des fibres sous sollicitations

σ

ε

domaine élastique



Figure 41 : orientation de la projection dans des caisses et orientation du carottage pour les essais de traction

Ces deux essais (traction par fendage et traction directe) sont rarement réalisés sur les bétons

projetés mais sont des essais de référence sur les bétons coulés.

L’essai de poinçonnement-flexion est un essai de caractérisation [Rossi, 1998] de bétons renforcés

systématiquement (mise en œuvre par coulage ou par projection).

Il consiste à appliquer une charge de poinçonnement centrée sur la dalle et d’imposer une

déformation de vitesse constante jusqu’à atteindre 30 mm (10 mm dans le cas des dalles de béton

coulé). On mesure la charge à imposer pour obtenir une vitesse de déformation comprise entre 1 et

1,5 mm par minute.

Cet essai est réalisé à l’échéance de 28 jours.

4.6.8 Evaluation du comportement sous contrainte des bétons projetés durcis

La mesure du module d’Young (élasticité, mode opératoire du LCPC en projet) a été aussi

systématique que la mesure de la résistance en compression : soit à 28 jours pour l’ensemble des

bétons testés et à 4 autres échéances (de 1 jour à 1 an) pour quelques compositions.

Pour chaque campagne, le coefficient de Poisson a été mesuré sur deux bétons (un fibré et l’autre

non) à 28 jours.

L’essai de poinçonnement-flexion donne, en plus de la résistance maximale en flexion, la courbe de

la contrainte reprise en fonction de la déformation imposée (cf figure 19). L’aire sous la courbe

représente l’énergie absorbée par le béton au cours de sa déformation. L’allure de la courbe indique

le comportement du béton sous contrainte : ductile ou fragile.

Ces essais sont rarement réalisés alors que le dimensionnement prend en compte des valeurs de

module et des valeurs forfaitaires de coefficient de Poisson ou de résistance en traction. Il apparaît

donc important que ces essais soient réalisés ainsi que la mesure de la porosité.



4.6.9 Evaluation de la durabillité des bétons projetés

La mesure du fluage a été réalisée sur deux bétons (un fibré et l’autre non) pour chaque mode de

projection. Pour oter la composante due au retrait des valeurs précédentes, des mesures de retrait

ont réalisées en même temps que les mesures de fluage. Les premières mesures ont commencé à 28

jours et se sont poursuivies pendant un an..

L’étude du fluage a été réalisée selon le mode opératoire décrit par Larive [Larive, 1998].

Pendant la préparation du mode opératoire et pendant toute la durée des essais, les corps d’épreuve

pour ces deux mesures ont été conservées dans une enceinte à température et hygrométrie

contrôlées. Ils ont été protégés du phénomène de séchage par une feuille d’aluminium.

La résistance au gel - dégel a été mesurée à de très longues échéances (3 mois pour la voie sèche et

1 an pour la voie mouillée), sur quelques bétons seulement. Ces essais consistent à évaluer :

l’écaillage (XP P 18-420) : mesure de la masse s’écaillant et donc désolidarisé de

l’échantillon scié de béton lorsque celui-ci subi des variations de température de 18°C à –

18°C (300 cycles répartis sur 11 semaines),

la résistance au gel dans l’eau (P 18-424, gel sévère dans l’eau) : mesure de l’allongement et

de la fréquence de résonance sur prisme conservé dans un bain de saumure et subissant des

variations de température de 18°C à –18°C,

le facteur d’espacement L (ASTM-C 457) : nombre et distance entre deux bulles d’air.

La résistance au feu a également été évaluée à de longues échéances pour quelques bétons

également (à 3 mois pour les bétons obtenus par projection par voie sèche et à 6 mois pour la voie

mouillée). Pour évaluer cette résistance, des corps d’épreuve ont subi une forte élévation de

température (200, 400 et 600°C). Avant et après la chauffe, les bétons ont été caractérisés selon :

la température des couleurs,

le module par mesure grindo-sonique,

la résistance en compression.

La sensibilité des bétons aux alcalins a été évaluée au moyen d’un essai de performance non

normalisé décrit dans les recommandations pour la prévention des bétons vis-à-vis de l’alcali-

réaction [LCPC, 1994].

Cet essai consiste à mesurer l’allongement de prisme de béton immergé pendant 5 mois dans une

ambiance chaude et humide (60°C, 100% d’humidité relative)



Cette essai n’a été réalisé que sur des bétons projetés par voie sèche et composés avec des granulats

potentiellement réactifs (3 granulats différents).

Il n’existe pas de bibliographie concernant le fluage et le retrait du béton projeté, ni sur le

comportement au feu. De la même manière, l’alcali-réaction n’a pas été étudiée sur les bétons

projetés.

4.7 Conclusion : Bétons expérimentés

L’amélioration des connaissances sur le béton projeté nécessite des expérimentations. Deux

campagnes de projection ont été réalisées, projection par voie mouillée puis par voie sèche, lors

desquelles des paramètres de projection et de formulation ont été testés. Ces paramètres ont été

choisis en fonction des caractéristiques de chaque mode de projection et de l’objectif visé pour ce

travail.

Les différentes compositions de mélanges à tester lors des campagnes ont été définies en fonction

des paramètres à étudier retenus, des matériaux disponibles et des recommandations sur la

formulation.

Ces paramètres sont :

les fibres,

la composition (courbe granulométrique des mélanges),

l’emploi des fines : fillers calcaires ou fumée de silice),

l’accélérateur de prise,

les granulats concassés,

la préhumidification,

le prémouillage,

le réglage du débit (air ou machine),

le porte-lance.

Ce dernier paramètre revêt toute son importance lorsque l’on sait qu’il conditionne, surtout en voie

sèche, la composition et la compacité du béton en place, donc sa résistance et qu’il rend impossible

toute prévision sur la qualité du béton en place.

On a caractérisé :

le mélange avant projection,

la projection,

le béton en place.



Ces données et les paramètres étudiés vont permettre, par des essais appropriés, d’analyser

l’incidence de la formulation, de l’aspect du mélange et de la projection sur le béton projeté

(chapitres 6 et 7).

Chapitre 5 : Bétons testés au cours des campagnes expérimentales


« Le rassurant de l’équilibre, c’est que rien ne bouge. Le vrai de l’équilibre, c’est qu’il suffit d’un souffle pour tout faire bouger » Julin Gracq

Chapitre 5 Bétons testés au cours des campagnes expérimentales

5.1 Constituants utilisés lors des deux campagnes (cf annexe 1)

Les mélanges à projeter par voie sèche confectionnés in-situ contiennent exactement les mêmes

constituants que le mélange prêt à l’emploi testé lors de la campagne voie sèche (S533 de Vicat

Produits Industriels) dans des proportions différentes.

5.1.1 Granulats

Les granulats utilisés pour les deux campagnes sont des sables et des gravillons silico-calcaires de

la vallée de l’Ain. La majorité des compositions a été réalisée avec des granulats roulés. Certaines

compositions ont utilisé des gravillons concassés provenant de la même roche que les granulats

roulés (hors bétons réactifs aux alcalins).

Les granulats utilisés pour les deux campagnes expérimentales (hors granulats potentiellement

réactifs) sont de même nature pétrochimique (alluvionnaires silico-calcaires).

Les granulats potentiellement réactifs aux alcalins testés (RT-RM et RL), sont des graviers

concassés de différente nature pétrochimique (calcaires, silico-calcaires et grès) provenant de trois

sites différents.

Les sables utilisés lors de la voie mouillée avaient une humidité comprise entre 7 et 10 % et de 1 %

pour les gravillons). Les granulats de la voie sèche étaient secs (granulats provenant de l’usine de

fabrication des mélanges prêt à l’emploi).

5.1.2 Ciment

Le liant utilisé pour les deux campagnes a été le ciment CEM I 52,5 PMES de Saint-Egrève produit

par Vicat répondant à la norme EN 197-1 et issu d’un même lot pour chaque campagne. La teneur

en ciment des mélanges à projeter par voie mouillée a été de 400 kg/m³ et 380 kg/m³ pour la voie

sèche.

5.1.3 Eau

La valeur du rapport E/C du mélange à projeter par voie mouillée a été fixée à 0,40, en tenant

compte de la fraction d’eau apportée par l’humidité des granulats (cf annexe 16). Dans le béton

projeté en place, la prise en compte de l’eau contenue dans l’adjuvant raidisseur élève ce rapport à

0,47 pour tous les bétons (cf tableau 69 § 7.5.4).



5.1.4 Adjuvants

Les exigences sur la consistance (pompabilité et stabilité dans le temps des mélanges à projeter par

voie mouillée) ont nécessité l’emploi d’un adjuvant fluidifiant de marque Sika : Viscocrete 2. Ce

produit a été introduit dans le malaxeur et directement dosé par la centrale à béton. Le dosage

courant a varié entre 1,96 et 3,14 l/m³.

Pour garantir la tenue du béton projeté par voie mouillée sur le support et parce que c’est l’usage en

France, un adjuvant raidisseur liquide a été utilisé : le Sika AF dosé à 10 % du poids du ciment est

exempt d’alcalin. Pour quelques compositions, un autre raidisseur exempt d’alcalin a été testé, plus

puissant : le Sika 53 AF dosé à 6 % du poids du ciment.

Aucun adjuvant n’a été utilisé lors de la projection par voie sèche.

5.2 Compositions théoriques des mélanges à projeter par voie sèche

(cf annexe 4)

L’importance de la granulométrie des mélanges à projeter par voie sèche a orienté la démarche de

formulation des mélanges ainsi que les paramètres étudiés lors de cette campagne. 12 compositions

différentes ont été testées dont un mélange prêt à l’emploi. Parmi celles-ci, trois ont été projetées

avec une teneur en eau initiale nulle. Les autres paramètres de projection n’ont pas donné lieu à la

définition de nouvelles compositions.

Les fibres, malgré un dosage de 50 kg/m³, n’ont pas fait l’objet d’une composition spéciale, elles

ont été introduites dans le mélange prêt à l’emploi comme c’est le cas sur les chantiers. La remarque

de Rossi [Rossi, 1998] concernant la nécessité de modifier la composition pour de forts dosages en

fibres ne s’applique pas aux bétons projetés par voie sèche à cause de l’absence de contraintes

relatives à la consistance.

La définition des compositions des mélanges a été obtenue en travaillant uniquement sur les

mélanges granulaires, c’est-à-dire la courbe granulométrique résultant du mélange du fillers et des

quatre coupures granulaires disponibles : 0-1 mm, 0-2 mm, 0-3 mm, 3-8 mm. Les autres

constituants sont restés invariants : même dosage en ciment pour toutes les compositions excepté

une, même teneur en eau de préhumidification : 4% du poids du mélange granulaire.

5.2.1 Granulométrie du mélange granulaire (C1 à C4)

Quatre mélanges granulaires (sables et gravillons uniquement) ont été définis de manière à obtenir

quatre courbes granulométriques échelonnées entre les courbes inférieure et supérieure du fuseau

(cf figure 42) selon les critères suivants définis dans le tableau 12.



Tableau 12 : particularités des courbes granulométriques souhaitées des 4 mélanges de granulats Mélanges Position par rapport au fuseau de la norme Eléments fins Autres particularités

C1 Proche de la courbe inférieure En dessous du minima Très en dessous de la courbe inférieure du fuseau jusqu’à 0,63 mm

C2 Proche de la courbe inférieure Minima C3 Proche de la courbe supérieure Proche du maxima

C4 Proche de la courbe supérieure Proche du maxima Supérieure à la courbe supérieure du fuseau autour du tamis de 0,63 mm

L’expérience des chantiers rapporte que les mélanges situés en partie haute du fuseau normatif

posent des difficultés à la projection (colmatage des alvéoles et du coude de sortie), les mélanges

C3 et C4 serviront à vérifier cela (cf figure 42).

Courbes granulaires des mélanges granulaires souhaitées pour l'étude de l'influence de la courbe granulaire sur la formulation des mélanges

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)

limite inférieure

limite supérieure

C1

C2

C4

C3

Figure 42 : courbes granulométriques des mélanges granulaires souhaités pour l’étude de l’influence de la courbe granulométrique sur la formulation des mélanges

Les granulats disponibles n’ont pas permis de respecter scrupuleusement les critères définis ci-

dessus (cf figure 43). Les combinaisons granulaires ont été optimisées pour les respecter le plus

possible.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)


limite supérieure du fuseau

mélange granulaire théorique C1




0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 43 : courbes granulométriques des mélanges granulaires théoriques dont le paramètre variant est la granulométrie

La teneur en ciment est de 380 kg/m³ (± 0,8%), identique pour tous les mélanges. La teneur en

fillers calcaires a été définie de manière que les quatre mélanges à projeter s’insèrent dans le fuseau

normatif en respectant les critères définis plus haut (cf figure 44). Elle est donc légèrement variable

d’une formule à une autre.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange à projeter théorique C1




0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 44 : courbes granulométriques des mélanges à projeter théoriques dont le paramètre variant est la granulométrie



5.2.2 Quantité de fines de taille inférieure à 80 µm (C0, C1, C14, C18)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)







0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 45 : courbes granulométriques des mélanges à projeter théoriques dont le paramètre variant est la teneur en éléments fins

Les mélanges C14 et C18 sont deux variantes découlant de C1 pour lesquelles la teneur en fillers a

varié de 0% pour C1 à 4% pour C14 et 8,8% pour C18. L’ajout de fillers a été compensé par les

granulats, mais la proportion relative de chaque granulat a été conservée.

Pour réduire la teneur en éléments fins, un mélange (C0), non additionné de fillers calcaires, a été

volontairement sous-dosé en ciment (13% au lieu de 18%) compensé par la quantité des granulats.

Pour ce mélange, la proportion relative de chaque granulat a également été conservée.

Les teneurs en éléments inférieurs à 80 µm sont comprises entre 13 et 27% (cf figure 45).

L’expérience des chantiers situe l’optimum de la teneur en fines autour de 22%.

5.2.3 Gravillons concassés (CN)

Les granulats concassés utilisés sont des gravillons. Les sables, roulés, sont conservés. Les

compositions sont réalisées de manière que les courbes granulométriques des mélanges contenant

des granulats concassés soient ainsi proches que possible de la courbe granulométrique du mélange

C2 (cf figure 46).



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)




mélange à projeter théorique CN

0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 46 : courbes granulométriques des mélanges à projeter théoriques dont le paramètre variant est la forme des granulats

La disponibilité des granulats potentiellement réactifs vis-à-vis de l’alcali-réaction n’a pas permis

d’obtenir pour deux des trois granulats testés une courbe granulométrique lisse (cf figure 47).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange à projeter théorique CN

mélange à projeter théorique RT

mélange à projeter théorique RL

mélange à projeter théorique RM

0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 47 : courbes granulométriques des mélanges à projeter théoriques dont le paramètre variant est la sensibilité des granulats aux alcalins



5.2.4 Mélange prêt-à-l’emploi

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange prêt à l'emploi

Figure 48 : courbes granulométriques du mélange prêt-à-l’emploi testé

Le mélange prêt-à-l’emploi utilisé est un produit commercialisé par Vicat Produits Industriels

(VPI) : S533. Ses caractéristiques sont les suivantes :

courbe granulométrique située en partie médiane pour les éléments fins puis à partir de 250

µm en partie inférieure du fuseau granulaire normatif (cf figure 48),

granulats roulés silico-calcaires,

teneur en ciment de 410 kg / m³,

type de ciment CEM I 52,5 PMES.

5.2.5 Composition théorique des mélanges à projeter par voie sèche

Tableau 13 : composition théorique des mélanges de la campagne expérimentale de projection de béton par voie sèche pour 1 m³ de béton (en kg)

Fines sables gravillons ciment fillers SS1 SS2 SS3 SS4 CN46 CN610 RT RL24 RL46 RL610 RM

C1 383,4 0,0 436,7 262,0 349,3 698,6 - - - - - - - C2 383,4 87,3 349,3 262,0 349,3 698,6 - - - - - - - C3 383,4 121,4 524,0 262,0 402,6 436,7 - - - - - - - C4 383,4 121,4 698,6 227,9 262,0 436,7 - - - - - - - C0 276,9 0,0 462,2 279,0 370,6 741,2 - - - - - - - C14 383,4 85,2 415,4 249,2 332,3 664,6 - - - - - - - C18 383,4 187,4 389,8 234,3 311,0 624,1 - - - - - - - CN 383,4 87,3 349,3 262,0 208,7 - 630,5 208,7 - - - - - RT 383,4 85,2 340,8 191,7 532,5 - - - 596,4 - - - - RL 383,4 87,3 349,3 110,8 219,4 - - - - 323,8 436,7 219,4 - RM 383,4 87,3 349,3 315,2 436,7 - - - - - - - 558,1



5.3 Compositions théoriques des mélanges à projeter par voie

mouillée (cf annexe 4)

Les mélanges à projeter par voie mouillée ont été formulés à partir d’une composition de référence

proposée conjointement par Abrotec et Sigma Béton (cf tableau 14) en fonction des constituants et

notamment de la granulométrie des granulats. La quantité de fluidifiant a été définie en laboratoire

de manière que le mélange ait un affaissement au cône de 17 cm. La part d’eau contenue dans les

sables et gravillons et le fluidifiant doit être retranchée à la quantité d’eau à ajouter.

Tableau 14 : composition du mélange de référence pour 1 m³ de béton Unité Ciment Fumée de silice Eau Fluidifiant Sable Gravillons E/C S/G

Kg / m³ (excepté fluidifiant) 400 0 164 2,5 (l) 1132 628 0,41 1,80

Cette composition de base a ensuite été adaptée pour tenir compte des paramètres étudiés. La

quantité de pâte de ciment, le dosage en ciment et le rapport E/C ont été, le plus souvent, conservés

(sauf deux compositions). La quantité de fluidifiant a été peu modifiée (sauf pour une composition

pour laquelle le dosage en fluidifiant est largement supérieur).

Les mélanges renforcés de 30kg/m³ de fibres n’ont pas vu leur composition modifiée.

Les mélanges renforcés de 60 ou 80kg/m³ de fibres ont un rapport S/G augmenté (2,0 au

lieu de 1,8) sauf pour une fibre (W2) pour laquelle un mélange de rapport S/G diminué

(1,6 au lieu de 1,8) a été testé.

Le mélange renforcé de 80kg/m³ de fibres a été adjuvanté de fumée de silice et contient

450kg/m³ de ciment.

Le mélange utilisant des granulats concassés a juste nécessité une adaptation des deux

tranches granulaires des gravillons pour que la courbe granulométrique du mélange de

gravillons concassés corresponde à celle des gravillons roulés.

Tableau 15 : composition théorique des mélanges de la campagne expérimentale de projection de béton par voie mouillée pour 1 m³ de béton (en kilogramme sauf pour le fluidifiant en litre)

Mélange Ciment Fumée de silice Eau Fluidifiant

(l) Sable Gravillons Fibres (identification) E/C S/G Paramètres variant

S0 400 0 164 2,5 1132 628 0 0,41 1,80 Sans fibres S0-W1 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F1) 0,41 1,80 S0-W2 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F2) 0,41 1,80 S0-W3 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F3) 0,41 1,80 S0-W4 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F4) 0,41 1,80 S0-W5 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F5) 0,41 1,80 S0-W6 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F6) 0,41 1,80 S0-W7 400 0 164 2,5 1132 628 30 (F7) 0,41 1,80

Variation des dimensions des fibres

S0-W2-F 400 15 164 2,8 1132 628 30 (F2) 0,41 1,80 Emploi de fumée de silice S1-W1-80 450 30 150 18,0 1130 570 80 (F1) 0,33 1,98 S1-W2-60 430 0 176 2,8 1130 570 60 (F2) 0,41 1,98

Augmentation du dosage en fibre

S0-C 400 0 164 2,8 1132 628 0 0,41 1,80 Sans fibres S0-M 400 0 164 2,0 1132 628 0 0,41 1,80 Sans fibres

S2-W2 400 0 164 2,0 1090 670 30 (F2) 0,41 1,63 Réduction du S/G



Les compositions théoriques des mélanges définies en laboratoire sont les suivantes (les granulats

sont considérés secs), définis dans le tableau 15.

5.4 Conditions de réalisation des campagnes expérimentales

5.4.1 Technologie de la projection (cf annexe 2)

Le béton projeté par voie sèche a été mis en œuvre à l’aide d’une machine à rotor de marque

Torkret modifiée par les soins de l’entreprise Freyssinet chargée de la mise en œuvre. Cette

machine a une capacité de 3m3/h de mélange projeté par minute. A la sortie, elle a été équipée avec

un tuyau flexible d’une longueur de 40 m et d’un diamètre intérieur de 40 mm.

La machine à projeter par voie mouillée est une pompe à pistons BSA 1002 de marque Putzmeister.

Cette machine a une capacité maximale de 20 m³/h. Pour l’expérimentation, le conduit de transfert

était constitué d’une partie rigide métallique de longueur 30 m et de diamètre intérieur 65 mm et

d’une partie souple en gomme d’une longueur de 20 m et d’un diamètre intérieur de 50 mm. La

réduction de diamètre n’est pas volontaire, elle dépend des moyens matériels mis à notre

disposition.

Des manchons métalliques de longueur 1 m ont été utilisés pour raccorder les tuyaux de diamètres

différents.

Pour les deux campagnes expérimentales, le trajet du mélange dans le conduit de transfert n’a subi

aucune dénivellation autre que la sortie de machine et la taille du projeteur en sortie de lance.

L’alimentation en air comprimé (à la machine pour la voie sèche et à la lance pour la voie mouillée)

a été réalisée par un compresseur délivrant 12 m³/min (soit 425 cfm) pour la voie sèche et

10 m³/min (soit 350 cfm) pour la voie mouillée.

L’alimentation en eau à la lance lors de la projection par voie sèche a nécessité l’utilisation d’un

sur-presseur permettant l’introduction d’une eau avec une pression de 8 bars. Un tel appareil n’est

pas utile pour la projection par voie mouillée (eau projeté dans le malaxeur).

Pour garantir la tenue au support du béton projeté par voie mouillée, un accélérateur de prise a été

utilisé. Son dosage a été réalisé grâce à une pompe doseuse directement calibrée sur le débit de

sortie du béton.

Les mélanges à projeter par voie mouillée ont tous été confectionnés par une centrale à béton

(Béton Rhône Alpes de Décines) respectant la norme en vigueur et dont un audit a été réalisé juste

avant la campagne.



Les mélanges à projeter par voie sèche sont issus, pour une part, d’un mélange prêt à l’emploi

confectionné dans une usine et livré sec sur chantier (S533 de marque Vicat Produits Industriels) et

pour le reste des mélanges confectionnés in-situ avec des constituants secs identiques à ceux du

mélange prêt à l’emploi.

5.4.2 Conditions d’exécution des campagnes expérimentales (cf photographies en

annexe 28)

Les deux campagnes expérimentales se sont déroulées sur plusieurs semaines (deux pour la voie

mouillée en octobre 2000 et trois pour la voie sèche en novembre 2001). Cela a représenté trois ou

quatre projections de mélanges différents par jour et plus de 100 caisses pour l’ensemble de chaque

campagne. Les caisses ont toutes été entreposées dans un même lieu après projection.

La projection a eu lieu dans l’agglomération est de Lyon pour réduire les distances de transport des

caisses entre le lieu de projection et le lieu de réalisation des essais mécaniques (Laboratoire

Régional des Ponts et Chaussées de Lyon à Bron).

Les projections ayant eu lieu à l’extérieur, les deux campagnes ont subi les aléas climatiques. La

température a été clémente et continue sur les deux semaines de la campagne expérimentale par

voie mouillée 12°C. Lors de la seconde campagne, les conditions ont beaucoup varié : favorables la

première semaine (12°C), elles se sont détériorées lors des deux semaines suivantes (5 à 7°C) avec

du vent et parfois de la pluie. Il s’avère cependant que l’incidence de ce paramètre est faible sur les

essais à 28 jours.

Les conditions de projection rencontrées lors de ces deux campagnes sont assimilables à des

conditions de chantier (ambiance extérieure, bouchon, projection horizontale, arrêt et reprise des

travaux,…).

L’interrogation, avant la réalisation des travaux, est la capacité du mélange à passer dans la machine

et dans la tuyauterie :

lors de la projection par voie sèche, aucun mélange n’a provoqué de bouchon,

Certains mélanges testés en projection par voie sèche présentent des profils granulaires jugés

défavorables pour la projection : colmatage des fines dans le tuyau. Cependant ces mélanges n’ont

peut-être pas été projetés suffisamment longtemps pour que ces phénomènes apparaissent.

lors de la projection par voie mouillée, il s’est avéré que certains mélanges ont bouché la

tuyauterie du fait d’une consistance trop visqueuse pour la capacité de la machine.



Ces mélanges ont été confectionnés une nouvelle fois. Seulement deux des mélanges prévus n’ont

pu être testés, le second essai n’ayant pas, non plus, donné satisfaction.

Un de ces deux mélanges contenait un fort dosage en fibres (80 kg/m³), le passage à la lance a

provoqué un bouchon. Toutefois la distance parcourue par le mélange dans des conduits de faibles

diamètres laisse entrevoir la possibilité de projeter de tels mélanges à condition de revoir la

composition du mélange (mélange plus fortement dosé en pâte de ciment) et peut être d’augmenter

la puissance de la machine.

La consistance des mélanges confectionnés en centrale est, pour une même composition, plus fluide

que celle des mélanges confectionnés en laboratoire en raison de la puissance plus importante du

malaxeur de centrale. Ceci s’est avéré favorable pour la campagne expérimentale (consistance

fluide requise).

Parmi les essais réalisés ou mesures effectuées, il est à déplorer :

les mesures de poussières ne sont pas satisfaisantes et ne corrèlent pas les observations

visuelles,

la mesure de l’épaisseur projetable maximale (épaisseur critique) n’a pas pu être

rigoureusement réalisée pour des questions de sécurité mais il demeure que les résultats

obtenus valident la possibilité de grandes épaisseurs projetées, résultats confirmés par

quelques chantiers,

la mesure des pressions exercées par le béton sur les tuyaux métalliques ne permet pas de

comparer les bétons entre eux,

les films rapides effectués lors de la campagne de projection de béton par voie mouillée ne

sont guère exploitables. En revanche ceux effectués lors de la projection par voie sèche sont

très intéressants.

Ces expériences montrent donc la nécessité de :

porter une attention particulière à la consistance nécessaire à une bonne pompabilité

(supérieure aux indications du fournisseur de matériel surtout dans le cas des projections

manuelles) pour les mélanges mouillés,

la difficulté de réaliser des études expérimentales de recherche sur les bétons projetés.

L’étude des bétons durcis a été réalisée en soumettant des corps d’épreuve à des essais de

résistance mécanique ou de durabilité. Ces corps d’épreuve ont été carottés dans des blocs

de béton obtenus par projection du mélange dans des caisses en contreplaqué. Ces caisses

étaient au sol appuyées contre un mur pendant la projection comme le préconise les



recommandations de l’AFTES [AFTES, 1993]. Les mesures des pertes en matériaux ont été

réalisées par projection contre un mur vertical.

5.4.3 Composition réelle des mélanges à projeter par voie mouillée

Pour la voie mouillée, la puissance du malaxeur a permis de diminuer la quantité de fluidifiant à

introduire par rapport aux compositions théoriques définies en laboratoire (2,25 l au lieu de 2,5 l/m³

en moyenne).

Les écarts sur les mélanges à projeter par voie mouillée restent restreints (cf tableau 16) avec

quelques hors tolérances (indiqués par la mise en gras des valeurs correspondantes) sur les

gravillons (2 compositions) et l’eau (1 composition).

Tableau 16 : composition réelle (en kg) des mélanges à projeter par voie mouillée et écart (en %) avec la composition théorique

Ciment ∆ciment (%) Sable* ∆sable(%) Gravillons* ∆gravillons (%) Eau** ∆eau (%) Fluidifiant ∆fluidifiant (%) S0-1 404,0 1,0 1117,9 1,2 628,7 0,1 162,0 1,2 2,01 0,5 S0-2 404,0 1,0 1155,7 2,1 628,7 0,1 161,9 1,3 2,25 0,0 S0-3 401,0 0,3 1108,6 2,1 628,7 0,1 161,0 1,8 2,26 0,4 S0-4 398,0 0,5 1138,1 0,5 628,7 0,1 162,7 0,8 2,25 0,0

S0-W1 396,0 1,0 1140,2 0,7 604,0 3,8 163,5 0,3 1,96 2,0 S0-W2-1 399,0 0,3 1135,7 0,3 604,0 3,8 164,0 0,0 2,50 0,0 S0-W2-2 399,0 0,3 1147,6 1,4 628,7 0,1 163,0 0,6 2,01 0,5 S0-W3 400,0 0,0 1141,5 0,8 628,7 0,1 163,7 0,2 2,25 0,0 S0-W4 403,0 0,8 1130,8 0,1 628,7 0,1 163,0 0,6 2,23 0,9 S0-W5 403,0 0,8 1146,8 1,3 604,0 3,8 163,3 0,4 2,51 0,4 S0-W7 398,0 0,5 1133,3 0,1 628,7 0,1 164,0 0,0 2,26 0,4

S0-W2-F 396,0 1,0 1120,4 1,0 628,7 0,1 161,1 1,8 3,14 0,0 S1-W1-80 451,0 0,2 1119,8 0,9 554,5 2,7 140,0 6,7 13,05 0,1 S1-W2-60 430,0 0,0 1114,2 1,4 529,7 7,1 174,7 0,7 2,41 0,0

S0-C 397,0 0,8 1127,0 0,4 575,0 8,4 162,1 1,2 2,51 0,4 S0-M 402,0 0,5 1129,6 0,2 628,7 0,1 161,2 1,7 2,08 0,5

S2-W2 399,0 0,3 1092,6 0,2 673,3 0,5 163,7 0,2 2,26 0,4 * les valeurs indiquées s’entendent en granulats secs ** la quantité d’eau ajoutée doit être adaptée en fonction de l’humidité naturelle des granulats, la valeur indiquée inclut l’eau apportée par les granulats (mesurée à la « poêle à frire »), elle ne tient pas compte de l’eau apportée par le fluidifiant

Les courbes granulaires des mélanges confectionnés sont données en annexe 5.

5.4.4 Composition réelle des mélanges à projeter par voie sèche

Tableau 17 : proportion réelle et théorique (en %) des mélanges à projeter par voie sèche confectionnés in-situ Ciment Fillers SS1 SS2 SS3 SS4

théo

rique

réel

le

théo

rique

réel

le

théo

rique

réel

le

théo

rique

Rée

lle

théo

rique

réel

le

théo

rique

réel

le

C1 18,00 18,10 0,00 0,00 20,50 20,59 12,30 12,38 16,40 16,50 32,80 32,43 C2 18,00 17,93 4,10 4,09 16,40 16,37 12,30 12,29 16,40 16,36 32,8 32,96 C3 18,00 17,98 5,70 5,69 24,60 24,56 12,30 12,34 18,90 18,92 20,50 20,51 C4 18,00 18,13 5,70 5,67 32,80 32,76 10,70 10,67 12,30 12,30 20,50 20,46 C0 13,00 13,01 0,00 0,00 21,70 21,68 13,10 13,14 17,40 17,45 34,80 34,72

C14 18,00 18,00 4,00 3,99 19,50 19,52 11,70 11,68 15,60 15,60 31,20 31,20 C18 18,00 17,99 8,80 8,78 18,30 18,28 11,00 11,03 14,60 14,62 29,30 29,31 CN 18,00 17,92 4,10 4,08 16,40 16,42 12,30 12,32 9,80 9,79 39,40* 39,47* RT 18,00 17,99 4,00 4,00 16,00 15,97 9,00 9,03 25,00 25,00 28,00* 28,00* RL 18,00 18,00 4,10 4,10 16,40 16,44 5,20 5,19 10,30 10,30 46,00* 45,97* RM 18,00 17,99 4,10 4,10 16,40 16,43 14,80 14,80 20,50 20,48 26,20* 26,20*

* gravillons autres que SS4



Le tableau précédent montre que les écarts entre les proportions théoriques et les proportions réelles

des mélanges à projeter par voie sèche confectionnés in-situ sont faibles, 0,2 % en moyenne avec un

écart maximum égal à 1,2 %.

Tableau 18 : composition réelle (en kg) des mélanges à projeter par voie sèche confectionnés in-situ Ciment Fillers SS1 SS2 SS3 SS4

C1 380 0 432 260 347 681 C2 377 86 344 258 344 692 C3 378 119 516 259 397 431 C4 381 119 688 224 258 430 C0 273 0 455 276 366 729 C14 378 84 410 245 328 655 C18 378 184 384 232 307 616 CN 376 86 345 259 206 829 * RT 378 84 335 190 525 588 * RL 378 86 345 109 216 965 * RM 378 86 345 311 430 550 *

* gravillons autres que SS4

Les courbes granulaires des mélanges confectionnés sont données en annexe 6 et valident les faibles

écarts avec la courbe granulaire théorique.

5.5 Echantillons de béton recueillis

Les bétons confectionnés lors des deux campagnes ont été soumis à différents essais mécaniques et

structurels (essais de laboratoire), à une ou plusieurs échéances selon les bétons.

Les valeurs d’essai indiquées résultent d’une moyenne :

sur 3 mesures en voie mouillée,

sur 3 à 12 mesures en voie sèche.

La majorité des essais de laboratoire a été réalisée sur des éprouvettes de béton de longueur 120 mm

pour un diamètre de 60 mm (élancement de 2), excepté :

l’essai de poinçonnement-flexion réalisé sur des plaques de dimension 60*60*10 cm³,

le coefficient de Poisson réalisé sur des éprouvettes cylindriques de diamètre 80 mm et de

longueur 160 mm (élancement 2),

le retrait et le fluage réalisés sur des éprouvettes cylindriques de diamètre 110 mm et de

longueur 240 mm (élancement légèrement supérieur à 2),

le gel et de dégel réalisés sur des prismes de longueur 10*10*40 mm³ et des cubes de

dimension 10*10*7 cm³,

le gonflement par alcali-réaction a été mesuré sur des prismes de dimensions 7*7*28 cm³.

Ces corps d’épreuves (excepté les plaques) ont été sciés ou carottés (NF EN 12504-1) dans des

caisses de projection de dimensions 50*50*15 cm, ajourées pour permettre l’évacuation des pertes.

Les caisses ont été confectionnées selon les recommandations normatives (NF P 95-102). Après



projection, les caisses ont été protégées avec un film plastique pendant 16 heures minimum pour

permettre la cure des bétons. Elles ont ensuite été évacuées sur un site de stockage sans traitement

particulier.

5.6 Conclusion : Composition des bétons testés

Les paramètres d’étude choisis ont orienté les compositions des bétons à tester. Ces compositions

ont, au préalable, été déterminées en laboratoire et caractérisées par différents essais reconduits sur

les compositions effectivement réalisées lors des campagnes expérimentales. La comparaison des

courbes granulaires des mélanges théoriques et réels montrent que l’on étudie les mélanges prévus

même si les résultats de certains essais sont différents (quelques bétons projetés par voie mouillée).

Chapitre 6 : Caractéristiques des bétons projetés étudiés


« Peux-tu être moins clair, je te comprends trop » Remarque Québécoise

Chapitre 6 Caractéristiques des bétons projetés durant les campagnes CEVEM et CEVES

Le but de ce chapitre est de présenter, de manière globale pour chaque mode de projection

(voie mouillée et voie sèche), les résultats obtenus de manière à mettre en avant les

fourchettes de valeurs que l’on peut attendre pour chaque grandeur étudiée. Cette carte

d’identité des bétons projetés est un panorama global et ne rentre pas dans les détails de

l’influence des paramètres étudiés (cf chapitre 7).

Les valeurs obtenues pour chaque grandeur sont regroupées en trois catégories :

1- les résultats caractérisant le mélange avant projection,

Le mélange doit présenter certaines qualités pour être mis en œuvre par projection (cf chapitre

2). Une longue pratique des travaux permet à quelques spécialistes d’anticiper la projection et

de juger de la qualité du mélange :

prévision du comportement du mélange à la projection (texture et aspect),

connaissance des critères de formulation définissant une bonne projection

(granulométrie, teneur en fines, teneur en eau).

Lorsque l'on manque d'expérience, on se trouve bien démuni pour apprécier l’aptitude d’une

composition à la projection. Il faut alors la tester à la projection et la reformuler si nécessaire.

L'objet du paragraphe correspondant (cf § 6.1) est de présenter, pour chaque mode de

projection, les résultats d’essais caractérisant les mélanges avant la projection et d'analyser

ces résultats et leur réelle utilité afin d'en déduire des recommandations sur la qualité

nécessaire des mélanges avant projection.

2- les résultats caractérisant la projection,

La bonne projectabilité d'un béton correspond :

à un bon passage dans le tuyau de transfert (limitant les risques de formation de

bouchon dans le cas de la projection par voie mouillée),

à un bon comportement lors de la projection (limitant les pertes).

Le paragraphe correspondant (cf § 6.2) présente :

les résultats des essais (communs ou spécifiques réalisés pour évaluer la projection),



les conclusions générales, confrontées aux valeurs couramment mesurées sur chantier.

3- les résultats caractérisant le béton durci.

Ce dernier paragraphe (cf § 6.3) présente l’ensemble des résultats obtenus lors des essais

réalisés à plus ou moins longue échéance (de 8h à 365 j) sur les bétons dits durcis

confectionnés lors des deux campagnes. Cela concerne aussi bien les essais courants

(résistance en compression) que des essais plus spécifiques (notamment fluage, retrait, gel-

dégel).

Certains essais n'ont pas été réalisés lors des campagnes expérimentales du fait de la

spécificité de l'application et du caractère non généralisable des résultats obtenus, c’est le cas

de l’essai d’adhérence au support. Cet essai est cependant très important pour valider la

qualité des travaux d’un point de vue structurel et doit être effectué sur chantier.

Les spécificités des mélanges et du circuit de projection nécessitent de différencier le mode de

projection (voie sèche ou voie mouillée).

6.1 Caractéristiques des mélanges à projeter par voie sèche

6.1.1 Mesures effectuées in-situ

Teneur en eau

La teneur en eau ciblée pour les mélanges préhumidifiés correspond à 4% du mélange

granulaire sec (sans ciment) soit 3,3% du mélange à projeter sec (avec 18% de ciment).

Les valeurs des teneurs en eau mesurées avant projection satisfont ce critère initial. En effet,

on obtient entre 3,1 et 3,8 % de teneur en eau par rapport au poids sec de béton (deux valeurs

isolées : 2,8 et 4,1 %).

Tableau 19 : teneur en eau (%) mesurée sur les mélanges à projeter par voie sèche (pour 1 m3 de mélange)

C1 C2 C3 C4 C0 C14 C18 CN S S-D1 S-D2 S-D3 Moyenne Écart-type Dispersion

3,3 3,5 3,3 3,2 3,2 3,1 3,3 3,4 2,8 3,1 4,1 3,1 3,8 3,3 3,2 - - - - - - - - - - 2,8 - - - - - - - - - -

Teneurs en eau (%)

- 3,4 - - - - - - - - - -

3,3 0,3 9,6

Moyenne 3,6 3,3 3,3 Écart-type 0,4 0,3 0,1 Dispersion 10,0 9,6 2,2

La dispersion (cf tableau 19) sur les résultats est de 10% (valeurs issues de l’ensemble des

mélanges ou valeurs issues d’un même mélange). Elle s’explique par l’hétérogénéité de la

répartition de l’eau dans le mélange en sortie des petits appareils de malaxage de chantier

(bétonnière ou malaxeur).



Les projections des mélanges n’ont pas posé de problème, cette teneur en eau correspondant

aux recommandations de l’AFTES [AFTES, 1993] est donc bien adaptée.

Analyse de la granulométrie

Les analyses de la granulométrie effectuées sur les mélanges avant projection concordent avec

les courbes granulométriques théoriques comme le montre le graphe ci-dessous (cf figure 49

et annexe 6).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange théorique

mélange à projeter réel

béton

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

16

Figure 49 : courbes granulométriques réelles et théoriques du mélange à projeter et du béton correspondant

Les critères d’étude définis initialement (cf chapitre 3) sont donc respectés.

6.1.2 Mesures effectuées en laboratoire (cf annexe 11)

Différents essais, définis dans le chapitre 3, ont été effectués sur un mélange prêt-à-l’emploi

S533 de marque VPI ainsi que sur quatre mélanges confectionnés en laboratoire avec les

mêmes constituants que le mélange prêt-à-l’emploi.

La mesure de l’angle d’écoulement a systématiquement donné un angle proche de 90° : un

puits vertical se formait lors de l’ouverture de la trappe. Ceci peut s’expliquer par la cohésion

du matériau, même sec (cf figure 50).



Figure 50 : comportement du mélange lors de l’essai de mesure des angles d’éboulement et d’écoulement

La mesure de la dispersion a été faussée par de nombreux rebonds. Cet essai n’est pas adapté

à la taille du mélange (essai extrait du domaine d’étude des poudres). Ces mesures ne sont

donc pas mentionnées dans le tableau 20.

Tableau 20 : mesures réalisées sur des mélanges secs ou légèrement humides angles (°) densité

sous vibration mélange humidité (% du poids sec) spatule éboulement vrac 15 s 30 s 45 s 60 s réelle

Mélange prêt à l’emploi 0 21,0 40,8 1,785 1,995 2,057 2,100 2,142 2,730 Mélange prêt à l’emploi 2 33,0 42,1 1,420 1,782 1,835 1,850 1,853 2,653 Mélange prêt à l’emploi 4 32,5 35,9 1,388 1,767 1,805 1,825 1,838 2,713 Mélange prêt à l’emploi 6 33,5 36,6 1,380 1,746 1,771 1,793 1,813 3,076 Mélange prêt à l’emploi 7 21,5 38,7 1,421 1,800 1,869 1,892 1,908 2,505

Mélange 1 0 40,0 37,2 1,855 2,204 2,237 2,246 2,240 2,701 Mélange 1 2 35,5 35,8 1,553 1,893 1,929 1,934 1,944 2,516 Mélange 1 4 38,5 35,5 1,495 1,849 1,886 1,888 1,888 3,106 Mélange 1 6 26,5 45,4 1,487 2,020 2,069 2,097 2,122 2,486 Mélange 1 7 21,5 45,2 1,591 2,160 2,240 2,270 2,290 2,429 Mélange 2 0 36,0 39,7 1,884 2,084 2,166 2,228 2,264 2,700 Mélange 2 2 36,0 44,0 1,534 1,885 1,917 1,930 1,940 2,572 Mélange 2 4 37,0 39,6 1,467 1,841 1,858 1,865 1,875 2,597 Mélange 2 6 37,0 41,0 1,487 1,818 1,856 1,883 1,885 2,471 Mélange 3 0 30,5 43,2 1,861 2,030 2,116 2,178 2,219 2,746 Mélange 3 4 29,5 42,1 1,377 1,735 1,767 1,765 1,784 2,677 Mélange 3 6 32,5 40,8 1,395 1,724 1,781 1,798 1,810 2,596 Mélange 4 0 30,5 40,7 1,861 2,030 2,116 2,178 2,219 2,633 Mélange 4 2 33,5 43,1 1,519 1,857 1,893 1,903 1,918 2,703 Mélange 4 4 31,5 41,7 1,409 1,745 1,789 1,803 1,820 2,570 Mélange 4 6 30,0 38,1 1,424 1,775 1,803 1,842 1,852 2,567

L’analyse des résultats obtenus sur ces différents mélanges (cf tableau 20) et les graphes que

l’on peut établir (cf annexe 11) montrent un optimum de la teneur en eau de préhumidification

à 3-4% (angle de spatule et variation de la densité en vrac qui correspond au foisonnement).

L’angle d’éboulement en revanche ne montre rien de tel. Les cinq mélanges testés ont un

comportement similaire.



6.2 Caractéristiques mesurées sur les mélanges à projeter par

voie mouillée

6.2.1 Mesures effectuées in-situ (cf annexe 10)

Les différentes mesures effectuées in-situ sur chaque mélange confectionné sont recensées

dans le tableau 21.

Les mélanges qui ont pu être projetés ont une valeur d’affaissement supérieure à 19 cm.

Malgré les recommandations du fournisseur de la machine, les mélanges d’affaissement

valant 13 ou 15 cm n’ont pu être projetés (trois mélanges s’avérant alors trop visqueux). Ceci

va donc à l’encontre des recommandations de la norme NF P 95-102 et de l’AFTES (cf 3.2.1).

L’analyse des courbes granulaires des mélanges n’ayant pu être projetés et leur comparaison

avec les courbes des mélanges projetés ne permet pas d’expliquer les raisons de la non

projection. Nous retenons donc l’hypothèse de la consistance trop ferme des mélanges.

Les bétons très fluides ne peuvent être caractérisés avec le cône d’Abrams (indication du

tableau « >25 ») car la plage de valeurs est plafonnée à 25 cm. Cet essai n’a donc pas été

retenu pour caractériser les mélanges testés.

Tableau 21 : mesures effectuées in-situ sur les mélanges frais ayant pu être projetés Mélange Affaissement au cône (cm) Maniabilité (s) Etalement (cm) % air occlus dans le béton Densité

S0 20 <1 52 - - S0 21 <1 54 3,0 2,43 S0 25 <1 65 2,2 2,47 S0 >25 <1 71 2,0 2,40

S0-W1 23 <1 59 3,0 2,43 S0-W2 24 <1 64 2,6 2,41 S0-W2 >25 <1 67 2,8 2,41 S0-W3 >25 <1 66 2,5 2,39 S0-W4 21 2 55 3,0 2,43 S0-W5 23 <1 62 2,5 2,40 S0-W7 >25 <1 76 2,0 2,37

S0-W2-F 24 <1 65 2,6 2,41 S1-W1-80 22 1 51 2,5 2,35 S1-W2-60 >25 <1 78 1,8 2,41

S0-C 24 <1 60 2,0 2,37 S0-M 25 <1 63 1,5 2,44 S2-W2 19 1 48 3,8 2,35

- mesure non indiquée

Pour les bétons coulés, la norme NF P18-303 classe la consistance des bétons selon leur

affaissement. Cette classification normalisée s’arrête à 16 cm, au-delà : béton fluide. Les

bétons auto-nivellant et hautes performances sont des bétons de consistance fluide voire très

fluide (affaissement supérieur à 20 cm donc classification non normalisée).



La mesure de la maniabilité n’est pas adaptée aux mélanges confectionnés (plage de valeurs

trop faible). Cet essai n’a pas permis de caractériser les mélanges confectionnés.

Figure 51 : efflorescence dans le béton après mesure de l’étalement

Les valeurs d’étalement à la table à secousses s’étendent de 43 à 78 cm et permettent de

comparer les mélanges testés (plage de valeurs adaptée). Les valeurs d’étalement

correspondent à la moyenne de deux mesures d’étalement réalisées dans deux directions

perpendiculaires. Les faibles écarts entre les deux valeurs confirment l’absence de ségrégation

visuelle dans le mélange. La non apparition d’efflorescence (cf figure 51) à la surface de

l’étalement prouve l’absence de ressuage dans le mélange. Les mélanges de grande fluidité

(étalement à la table supérieur à 75 cm) ont pu être pompés et n’ont pas générés de

ségrégation ou de ressuage.

R2 = 0,8056

40

45

50

55

60

65

70

12 14 16 18 20 22 24 26

affaissement au cône (cm)

étal

emen

t à la

tabl

e à

seco

usse

s (c

m)

Figure 52 : corrélation entre l’affaissement au cône d’Abrams et l’étalement à la table à secousses



Il existe une corrélation (R² = 0,81) entre les valeurs d’affaissement et celles d’étalement à la

table à secousses (cf figure 52) pour les valeurs d’affaissement mesurables.

Ceci confirme la possibilité de caractériser les mélanges à projeter selon leur valeur

d’étalement à la table à secousses et non avec le cône.

La teneur en air occlus dans le mélange avant projection est comprise entre 1,5 et 3,8%

(moyenne : 2,5% – écart-type : 0,6 – dispersion : 22,9%). La projection compacte le béton, sa

teneur en air est donc inférieure à cette valeur mais elle n’est pas correctement mesurable

lorsque le béton est encore frais.

La majorité des résultats sont compris entre 2,0 et 3,0%. Rien dans la composition des

mélanges ne justifie une telle dispersion dans les résultats. La teneur en air influe sur la

résistance en compression du mélange (d’après la formule de Bolomey, 1% d’air équivaut à

10 litres d’eau en plus [AïtCin et al, 1996]).

De manière générale, les bétons coulés courants ont une quantité d’air occlus comprise entre

1,0 et 2,5%.

La densité des mélanges frais a été comprise entre 2,35 et 2,47 (moyenne : 2,40 – écart-type :

0,03 – dispersion : 1,4%).

6.2.2 Relation entre consistance des mélanges et composition

Le tableau 22 ci-dessous montre que les consistances mesurées sont très variables d’un béton

à l’autre, alors que les compositions n’ont que faiblement variées pour la majorité des bétons

testés.

Tableau 22 : consistances mesurées en rapport avec la composition réelle des mélanges (ordonnées selon la teneur en superplastifiant)

Mélanges Fluidifiant (L) E/C S/G Sable* (kg)

Graviers* (kg)

Affaissement au cône (cm)

Etalement à la table à secousses (cm)

S0-1 2,01 0,401 1,78 1117,9 628,7 20 - S0-2 2,25 0,401 1,84 1155,7 628,7 21 54 S0-3 2,26 0,401 1,76 1108,6 628,7 25 65 S0-4 2,25 0,409 1,81 1138,1 628,7 >25 71

S0-W1 1,96 0,413 1,89 1140,2 604,0 23 59 S0-W2-1 2,50 0,411 1,88 1135,7 604,0 24 64 S0-W2-2 2,01 0,409 1,83 1147,6 628,7 >25 67 S0-W3 2,25 0,409 1,82 1141,5 628,7 >25 66 S0-W4 2,23 0,404 1,80 1130,8 628,7 21 55 S0-W5 2,51 0,405 1,90 1146,8 604,0 23 62 S0-W7 2,26 0,412 1,80 1133,3 628,7 >25 76

S0-W2-F 3,14 0,407 1,78 1120,4 628,7 24 65 S1-W1-80 13,05 0,310 2,02 1119,8 554,5 22 51 S1-W2-60 2,41 0,406 2,10 1114,2 529,7 >25 78

S0-C 2,51 0,408 1,96 1127,0 575,0 24 60 S0-M 2,08 0,401 1,80 1129,6 628,7 25 63 S2-W2 2,26 0,410 1,62 1092,6 673,3 19 48

* ces valeurs s’entendent en matériaux secs, soit avec une humidité nulle des granulats (cf annexe 16)



Les rapports E/C des différents mélanges avant passage dans la toupie sont compris dans une

fourchette restreinte (moyenne : 0,407 – écart-type : 0,004 – dispersion : 1,0 %) excepté pour

le béton haute performance (S1-W1-80) de rapport E/C=0,3.

Le rapport S/G réel des mélanges, de rapport théorique 1,80, varie de 1,76 à 1,96 (moyenne :

1,83 – écart-type : 0,06 – dispersion : 3,0 %). Dans le tableau 22, certains mélanges (S0-2, S0-

4, S0-W3, S0-W4, S0-W7), de même teneur en superplastifiant, ont un rapport S/G identique

et pourtant une consistance très différente. De la même manière, les mélanges S0-3 et S0-W7

ont une même teneur en superplastifiant et un rapport S/G proche et pourtant leurs

consistances sont très différentes. La variation du rapport S/G ni même l’incidence des fibres

n’expliquent donc pas la variation de consistance.

La seule explication possible à cette variation est l’eau résiduelle dans le camion après

nettoyage de la toupie (la position de la trappe de versement empêche les reliquats d’eau dans

le malaxeur).

Le rapport E/C, en théorie quasi identique pour chaque mélange testé, est donc modifié, il est

donc nécessaire de prendre en compte ce paramètre dans l’exploitation des résultats

mécaniques (résistance en compression directement liée au rapport E/C du béton d’après la loi

de Bolomey).

6.2.3 Mesures effectuées en laboratoire (cf annexe 10)

Les mesures de la rhéologie et de la tribologie des bétons ont été réalisées en laboratoire après

la campagne d’essai sur chantier avec les mêmes compositions de mélange et les mêmes

constituants (cf tableau 23).

Tableau 23 : mesures de rhéologie et tribologie effectuées sur des mélanges confectionnés en laboratoire

mélange consistance des mélanges confectionnés à la centrale

consistance des mélanges testés en laboratoire

valeurs de rhéologie (rhéomètre)

valeurs de tribologie (tribomètre)

nom affaissement au cône (cm)

étalement à la table (cm)

affaissement au cône (cm)

étalement à la table (cm)

seuil de cisaillement

(Pa)

viscosité plastique

(Pa.s)

seuil à l'interface

(Pa)

constante visqueuse (Pa.s/m)

S0 21 54 21 54 706 108 249 623 S0-W1 23 59 23 59 429 65 50 215 S0-W2 24 64 24 64 912 65 52 498 S0-W3 >25 66 >25 66 524 104 41 314 S0-W4 21 55 21 55 1079 129 43 557 S0-W5 23 62 23 62 233 54 286 567 S0-W7 >25 76 >25 67 essais au rhéomètre et tribomètre non réalisables

S0-W2-F 24 65 24 65 447 98 67 320 S1-W1-80 22 76 22 51 essais au rhéomètre et tribomètre non réalisables

S1-W2-60 >25 78 >25 78 387 35 essai au tribomètre non réalisable

S0-C 24 60 24 60 640 176 50 467 S0-M 25 63 25 63 517 88 106 512 S2-W2 19 48 19 48 400 300 304 367

moyenne 570 111 125 444



Les valeurs obtenues en laboratoire sont considérées représentatives des mélanges

confectionnés sur chantier si les consistances sont semblables. D’après les résultats obtenus

(tableau 23), on peut les considérer comme telles. Lors des essais de laboratoire, le dosage en

fluidifiant des mélanges a été légèrement augmenté par rapport aux compositions de chantier

pour que les consistances coïncident.

Ces essais n’ont pu être réalisés sur trois compositions qui correspondent à des mélanges :

contenant des fibres en nombre important (S1-W1-80 et S2-W2-60) ou de dimensions

particulières (mélange S0-W7 de fibres de dimensions 30*0,75 mm),

de consistance très fluide (étalement supérieur à 76 cm).

Une de ces deux raisons expliquent que l’appareil s’est bloqué lors de l’essai et a donné des

valeurs aberrantes.

En dehors des trois mélanges pour lesquels les mesures n’ont pu être effectuées, la valeur :

du seuil de cisaillement varie entre 233 et 1079 Pa,

de la viscosité varie de 54 à 300 Pa.s,

du seuil à l’interface varie entre 41 et 304 Pa,

de la constante visqueuse varie de 314 à 623 Pa.s/m.

L’étude sur le pompage menée par Kaplan a donné des valeurs semblables (cf tableau 24)

pour des bétons de consistance légèrement plus ferme : entre 17 et 22 cm et un circuit d’étude

plus long conduit dans des tuyaux de plus grande section (diamètre du conduit de 125 mm et

longueur comprise entre 148 et 230 m) [Kaplan, 1999, b-].

Tableau 24 : mesures réalisée sur des bétons pompés sur les chantiers « Cœur Défense » et « Pforzheim » [Kaplan, 1999, b-]

béton affaissement (cm) seuil de cisaillement (Pa)

viscosité plastique (Pa.s)

seuil à l'interface (Pa)

constante visqueuse (Pa.s/m)

béton 1 20 900 96 142 428 béton 2 22 700 117 78 651 béton 3 17,5 880 47 129 317

Les différents résultats obtenus permettent l’établissement de courbes affines dont

l’ordonnées à l’origine est le seuil (de cisaillement ou à l’interface) et la pente la viscosité ou

la constante visqueuse.

Les courbes de rhéologie mettent en évidence l’importance de :

la consistance du mélange ; le mélange le plus ferme (48 cm d’étalement) a la plus

grande viscosité (300 Pa.s),



la dimensions des fibres ; l’emploi de fibres de dimensions standards (vis-à-vis des

fibres les plus commercialisées dans le domaine de la projection) ne modifie pas les

résultats par rapport aux mélanges ne contenant pas de fibres. En revanche la fibre la

plus grosse (W5 : 50*0,62 mm) génère un béton mobilisant le seuil de cisaillement le

plus faible (233 Pa contre une moyenne de 635 Pa) et la plus faible viscosité (54 Pa.s

contre une moyenne de 83 Pa.s).

Le mélange contenant de la fumée de silice dosé à 4% a un seuil moins élevé que le mélange

n’en contenant pas (447 Pa contre une moyenne de 589 Pa).

Les courbes de tribologie montrent également l’incidence de la consistance du mélange et des

fibres sur les résultats obtenus :

le mélange le plus ferme (48 cm d’étalement) a également un seuil à l’interface plus

élevé que celui du mélange de référence (304 Pa.s contre 52 Pa.s),

l’emploi de fibres de dimensions standard (fibres les plus commercialisées dans le

domaine de la projection) ne modifie pas les résultats par rapport aux mélanges ne

contenant pas de fibres. En revanche la fibre la plus grosse (W5 : 50*0,62 mm) donne

un mélange ayant un seuil à l’interface nettement plus élevé que les autres mélanges

contenant quatre types de fibres différentes (286 Pa contre une fourchette comprise

entre 41 et 52 Pa pour les quatre autres fibres). Les mélanges contenant de forts

dosages en fibres ont bloqué l’appareil de même que le mélange contenant des fibres

de gros diamètre (W7 : 30*0,75 mm).

La fumée de silice dosée à 4% ne modifie pas les valeurs mesurées.

6.3 Caractéristiques de la projection par voie sèche

6.3.1 Pertes en matériaux (cf résultats en annexe 12)

Les valeurs des pertes en matériaux mesurées lors de la projection par voie sèche sont

comprises entre 20 et 50% (moyenne égale à 31,1%). Lors du chantier de réparation du tunnel

sous la Manche, les pertes en matériaux mesurées révèlent une valeur proche de 25% [Resse,

1998] avec le mélange prêt-à-l’emploi standard commercialisé par Vicat Produits Industriels

(S533).

Les valeurs des pertes courantes et acceptables, pour une épaisseur projetée d’environ 10 cm,

sont au maximum limitées à 30% (cf chapitre 3).



Ici les compositions dépassant cette limite sont donc des mélanges volontairement

défavorables pour la projection et donc générant beaucoup de pertes (cf chapitre 7).

6.3.2 Granulométrie des pertes et des bétons (cf courbes en annexes 7 et 12)

Les analyses de la granulométrie confirment que la projection modifie la composition

(cf figure 53) :

les bétons sont plus fortement dosés en éléments fins (figure 54) que le mélange avant

projection,

les pertes sont plus fortement dosées en gravillons qu’en éléments fins.

c ou r be s g r an u l ai r e s d' u n m é l an g e r é e l pr oje té par vo i e s è c h e , du bé ton e t de s pe r te s

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

Ta m i s ( m m )

Tam

isat

s (%

)

lim it ein f é r ie ur e

lim it esup é r ie ur e

m é la n ge

bé t o n

p e r t e s

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

16

Figure 53 : courbes granulométriques d’un mélange réel projeté par voie sèche, du béton correspondant et des pertes

La comparaison des diverses analyses montre également que la modification de la

composition des mélanges projetés par voie sèche dépend grandement de la composition

initiale : teneur en éléments fins et utilisation de granulats concassés entre autre (cf

chapitre 7).

6.3.3 Teneur en eau des bétons en place (cf résultats en annexe 16)

La teneur en eau en place des bétons projetés par voie sèche est de l’ordre de 8,7% du poids

de béton sec (variation de 7,8 à 9,9% avec un écart-type de 0,6 et une dispersion inférieure à

7%). Ceci représente environ 190 litres d’eau par m³ de béton (poids du béton sec pris en

compte : 2,2 t/m³). La teneur en ciment moyenne mesurée en laboratoire sur quelques bétons

vaut 485 kg/m³ (cf tableau 25).

Tableau 25 : teneur en ciment (kg/m³) de quelques bétons projetés par voie sèche Mélanges C1O C14-O C4-O RT RL RM moyenne écart-type dispersion

Teneur en ciment (kg/m³) 500 420 530 500 420 540 485 52,8 10,9



Avec les hypothèses formulées, les bétons en place ont un rapport E/C proche de 0,39 ce qui

concorde avec les connaissances de chantier. Des mesures effectuées sur le même chantier du

tunnel sous la Manche donnent des teneurs en eau de l’ordre de 7 à 8% selon l’ouvrier de

projection [Resse, 1998]. Ces mesures montrent également, pour un même projeteur, la

régularité de la teneur en eau d’une projection à l’autre.

La teneur en eau mesurée sur les bétons en place a varié selon les paramètres de projection

fixés : prémouillage ou préhumidification (cf chapitre 7).

6.3.4 Pertes en fibres (cf résultats en annexe 12)

Les pertes en fibres lors de la projection par voie sèche sont comprises entre 50 et 80% ce qui

correspond à 10 et 24 kg de fibres par m³ de béton en place (cf tableau 26). La valeur des

pertes dépend de la dimension des fibres (cf chapitre 7).

Tableau 26 : valeurs des pertes en fibres mesurées sur trois bétons projetés fibrés Mélanges fibrés S0-D1 S0-D2 S0-D3

Pertes en fibres (%) 80 62 56 Dosage en fibres (kg/m³) 10 17 24

Ces valeurs sont très élevées comparativement à ce qui est couramment admis et estimé sur

chantier : 50% est un maximum, mais la méthode de mesure peut être différente et minimiser

les pertes en fibres. En général, on exige au moins 15 à 20 kg de fibres en place par m³ de

béton. Dans le cas du tunnel de Condes, 15 kg de fibres ont été mesurée en place pour

40 kg/m³ initialement dans le mélange ce qui correspond à des pertes en fibres supérieures à

60%.

Les pertes en fibres ont également été mesurées lors du chantier de réparation du tunnel sous

la Manche. Un chantier de réparation d’une buse sous une l’autoroute A36 a obtenu des

valeurs de pertes faibles : 15% maximum avec les fibres Dramix de Bekaert de longueur

30 mm et de diamètre 0,55 mm (ZP 305) et un mélange prêt-à-l’emploi commercialisé par

Cantilana Mauer (Mauer Gunit 30.8 W).

6.3.5 Poussières (cf valeurs en annexe 15)

La projection par voie sèche peut générer beaucoup de poussières à la lance (cf photographies

en annexe 27). La préhumidification du mélange ou l’emploi d’une lance de prémouillage

réduisent les émissions de poussière. Les observations visuelles ont pu corroborer cela. Les

résultats des prélèvements (cf tableau 27) ne mettent pas en évidence ces règles. En effet, la

quantité de poussières recueillie lors de la projection d’un mélange préhumidifié n’est pas

beaucoup moins importante que celle recueillie, inhalable ou alvéolaire, lors de la projection



d’un mélange sec. L’emploi d’une lance de prémouillage diminue les émissions de poussière

mais dans ce cas également les différences ne sont pas très importantes. Les résultats sont

favorables à l’emploi d’une lance de prémouillage par rapport à la préhumidification du

mélange alors que les observations visuelles prouvent le contraire.

La diminution du débit d’air (correspondant à une diminution de 2 bars de la pression d’air)

réduit la quantité des poussières recueillies mais cette réduction est directement liée au temps

de réglage du débit d’eau à la lance, durée durant laquelle le capteur aspirant les poussières

était en fonctionnement et les poussières émises orientées vers l’extérieur de la zone d’essai.

Tableau 27 : quantités de poussières prélevées sur le projeteur lors de la projection par voie sèche (mg/m³)

mélanges préhumidifiés réglage standard de la

machine

mélanges non préhumidifiés

mélanges préhumidifiés

réglage minimum de la machine

emploi d’une lance de

prémouillage sur l’ensemble des résultats

Mélanges C2-O C3-O S-O C2-S C3-S S-S C2-R C3-R S-P moyenne écart-type dispersion Poussières inhalables 151 143 195 192 118 220 33 42 156 138,9 65,2 47%

Poussières alvéolaires 34,4 36,7 46 32,6 27,9 58,9 9,2 7,5 30,2 31,5 16,1 195%

vale

urs

(mg/

m³)

Poussières alvéolaires non

silicogène 34,4 36,7 46 32,6 27,9 58,9 9,2 7,5 30,2 31,5 16,1 195%

Poussières inhalables 163 177 38 156

moy

enne

Poussières alvéolaires 39,0 39,8 8,4 30,2

Les valeurs obtenues sont en accord avec les valeurs américaines.

Les résultats montrent cependant que :

les émissions de poussière mesurées dépassent les seuils admis par la commission

d’hygiène et de sécurité (20 fois supérieure pour les poussières inhalables et 10 fois

pour les poussières alvéolaires),

ces poussières ne sont heureusement pas siliceuses (absence de quartz, cristobalite et

tridymite).

Ces résultats prouvent la nécessité d’imposer une protection aux ouvriers de projection. Les

poussières émises à la machine ne sont réduites que dans le cas de la préhumidification du

mélange avant introduction en machine. Il est donc également nécessaire de prévoir une

protection du manutentionnaire de la machine en cas de non préhumidification du mélange.



6.4 Caractéristiques mesurées lors de la projection par voie

mouillée

6.4.1 Pertes en matériaux (cf résultats en annexe 12)

Les pertes en matériaux observées lors de la projection, avec l’emploi d’un accélérateur, de

béton par voie mouillée s’échelonnent entre 6 et 15% (moyenne : 11,1%) ce qui correspond

aux résultats couramment obtenues sur chantier : entre 5 et 15% (cf chapitre 2).

Les valeurs des pertes mesurées lors de la campagne expérimentale dépendent de la

composition (rapport S/G) mais pas de la dimension des fibres (cf chapitre 7).

6.4.2 Granulométrie des bétons (cf annexe 5)

Les analyses de la granulométrie confirment que les bétons en place conservent la même

composition que les mélanges avant projection, comme il est indiqué dans la littérature [Resse

et Vénuat, 1981] et comme le montre la figure 54.

courbes granulaires d'un mélange réel projeté par voie mouillée et du béton

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tam i s (m m )

Tam

isat

s (%

)

lim it e in férieure

lim it e supérieure

m élange t héorique

bét on avan t p ro ject ion

bét on après p ro ject ion

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

16

Figure 54 : courbes granulométriques d’un mélange réel projeté par voie mouillée et du béton correspondant

6.4.3 Pertes en fibres (cf annexe 12)

Les pertes en fibres mesurées lors de la campagne de projection de béton par voie mouillée

varient de 5 à 49% (moyenne : 17,4%) ce qui correspond à une teneur en fibres en place

variant de 15,2 à 28,7 kg/m³ selon la dimension des fibres (cf chapitre 7) pour un dosage

initial de 30 kg/m³. Il est couramment exigé un dosage en place minimum de 15 kg/m³ (cf

chapitre 3).



6.4.4 Pression due au passage du béton dans les tuyaux de transfert (annexe 13)

Le passage du béton dans la tuyauterie de transfert déforme les tuyaux de 2,5 µm/m en

moyenne (les valeurs enregistrées varient entre 0,78 et 8,58 µm/m). Chaque inversion de la

course du piston de pompage (cf figure 34) se traduit ponctuellement par une baisse de

pression.

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

2 2

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0

te m p s (s)

pres

sion

(bar

s)

Figure 55 : courbe des pressions subies par le conduit de transfert lors du pompage du béton

Le pompage est très clairement identifiable sur les courbes (cf figure 55 et annexe 13) et le

tableau 28 donne les résultats numériques suivants :

avec des paliers de haute pression compris entre 7,5 et 45,8 bars (soit 16,1 bars de

moyenne ou 630 psi environ), la pression pouvant être reprise par les tuyaux est de

75 bars (1000 psi),

avec des chutes ponctuelles de cette pression atteignant entre 5,6 et 16,0 bars (soit 10,3

bars de moyenne).

La fréquence de ces chutes de pression varie d’un mélange à l’autre entre 0,070 et 0,308 hertz.

Tableau 28 : valeurs de hautes et basses pressions du béton (bars) dans la tuyauterie lors de l’opération de pompage

mélange

S0-2

4

S0-2

5-1

S0-2

5-2

S0-2

6

S0-M

S0-C

S0-W

2-24

-1

S0-W

2-24

-2

S0-W

2-25

S0-W

4

S0-W

5-1

S0-W

5-2

S0-W

7

S0-W

2-F

S1-W

1-80

S1-W

2-60

étalement (cm) 54 65 65 71 63 60 64 64 67 55 62 62 76 65 51 78 haute 18,0 21,8 22,3 14,4 14,5 20,2 13,1 13,4 8,8 14,8 10,5 9,8 7,5 12,8 45,8 10,4 basse 13,2 15,9 16,0 12,0 11,3 12,7 8,1 8,7 6,6 7,7 8,2 7,9 5,6 7,8 14,9 7,6

pres

sion

(b

ars)

écart (%) 27 27 28 16 22 37 38 35 24 48 21 19 25 39 67 27

fréquence (hertz) 0,098 0,114 0,108 0,093 0,084 0,132 0,111 0,111 0,100 <

0,119 <

0,084 0,070 0,102 0,111 0,308 0,152

pression de pompage

baisse ponctuelle de pression due à l’inversion de la course des pistons



Les résultats correspondant aux mélanges non renforcés de fibres ne permettent pas de rendre

compte de l’influence de la consistance des mélanges sur les valeurs des pressions ou de la

fréquence. A priori plus la consistance du mélange est plastique, plus le passage en machine

est facilité et moins les pressions mises en jeu sont importantes.

Certains résultats rendent compte de la répétabilité des mesures conduites sur des mélanges

identiques (résultats en gras). Ces résultats, pressions hautes et basses et fréquence, sont très

proches et confirment la bonne répétabilité de la mesure, validant les résultats obtenus.

Les résultats obtenus ne mettent pas en évidence l’incidence de la taille des fibres : les fibres

les plus longues, mais en faible dosage, ont généré les plus faibles pressions (comparaison des

mélanges contenant les fibres W5 et W2 de consistance comparable). Les fibres ne gênent pas

beaucoup le transfert du béton dans le conduit pour les deux dosages testés (30 et 60 kg/m³).

Pour les mélanges fortement dosés en fibres, il est nécessaire d’avoir une consistance fluide

mais non ségrégative.

Le mélange adjuvanté à 4% de fumée de silice n’a pas généré de plus faibles pressions que le

mélange de référence n’en contenant pas.

6.4.5 Epaisseur projetable maximale (cf annexe 14)

Les valeurs des épaisseurs projetées ne sont pas nécessairement maximales : le projeteur a,

pour chaque mélange testé, stoppé la projection lorsque la réaction du support laissait

présager une rupture imminente. Les valeurs indiquées correspondent à des valeurs facilement

atteignables sur chantier.

Les tests réalisés montrent que l’on peut projeter des couches de béton de plus de 10 cm

d’épaisseur en plafond avec du Sika 40 AF dosé à 10%. L’emploi de Sika 53 AF dosé à 6%

élève cette valeur à 14 cm. Une valeur de 20 cm a été atteinte avec un mélange contenant des

fibres dosées à 60 kg/m³. Ces résultats (cf tableau 29) ne permettent pas de mettre en évidence

les critères de formulation influant sur la tenue du béton sur le support.

Tableau 29 : épaisseur mesurée sur support (cm) Consistance du mélange Projection en piédroit Projection en plafond

Mélange étalement à la table à secousses (cm)

Sika 53 AF Dosage : 6%




S0 54 38 cm 25 cm 16 cm 15 cm S0-W2-F 65 14 cm

S0-C 60 15 cm S0-W2 66 18 cm 10 cm S0-W3 66 25 cm

S1-W2-60 78 20 cm



La faible teneur en fumée de silice ou la variation de la consistance n’ont pas d’incidence sur

les résultats. En effet, leur incidence sur l’épaisseur maximale de projection est minime

comparé à l’effet des accélérateurs de prise.

6.5 Caractéristiques mécaniques des bétons en place

6.5.1 Résistance en compression des bétons projetés par voie sèche (annexe 17)

Les moyennes des résistances en compression à 28 jours des 23 bétons projetés par voie sèche

s’échelonnent de 53,0 à 82,4 MPa avec une moyenne égale à 67,3 MPa (cf tableau 30). Les

moyennes ont été calculées sur la base de 3 à 12 essais et les dispersions sur les valeurs

peuvent être importantes jusqu’à 20% (trois bétons ont donnés des valeurs inattendues qui

peuvent s’expliquer par des défauts dans le corps d’épreuve testé).

Les courbes (cf figure 56) et le tableau de valeurs (cf tableau 30) montrent que la résistance

n’évolue quasiment plus à partir de 28 jours pour les cinq bétons testés.

Tableau 30: plage de valeurs des résistances en compression et moyennes pour les différentes échéances testées (MPa)

1 jour 7 jours 28 jours 90 jours 365 jours plage de

valeurs moy. plage de




valeurs moy.

voie sèche 16,0 – 30,0 23,2 26,3 – 57,5 38,2 43,0 – 84,7 67,3 43,8 – 85,3 67,4 54,7 – 76,8 68,5 voie mouillée 16,7 – 22,7 21,1 24,6 – 42,3 34,6 39,5 – 48,4 42,7 41,1 – 56,2 46,1 47,3 – 56,2 51,8

évolution de la résistance en compression des bétons projetés par voie sèche

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400âge du béton (jour)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa)

C1-0 C1-0-moyenne

S-O S-0-moyenne

S-S S-S-moyenne

S-P S-P-moyenne

S-D2 S-D2-moyenne

Figure 56 : évolution de la résistance en compression de 5 bétons projetés par voie sèche



6.5.2 Résistance en compression des bétons projetés par voie mouillée (cf annexe

17)

Les bétons projetés par voie mouillée ont une résistance en compression à 28 jours, pour les

12 bétons testés, égale à 42,7 MPa en moyenne (variation de 35,6 à 46,9 MPa). Les valeurs

obtenues sont supérieures aux exigences courantes. Les dispersions sur les résultats sont

faibles (inférieures à 10%).

évolution de la résistance en compression des bétons projetés par voie mouillée

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400

âge du béton (jour)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa)

S0 S0-moyenne

S0-W2 S0-W2-moyenne

S0-W2-F S0-W2-F-moyenne

S1-W2-60 S1-W2-60-moyenne

S2-W2 S2-W2-moyenne

Figure 57 : évolution de la résistance en compression de 5 bétons projetés par voie mouillée

L’évolution de la résistance en compression des bétons est régulière (cf figure 57) : certains

bétons développent plus rapidement leur résistance (cf chapitre 7) mais ces différences

s’estompent à 365 jours pour 4 des 5 bétons testés (écart de 9,2 MPa à 90 jours et de 3,7 MPa

à 365 jours).

6.5.3 Module d’Young (cf annexe 18)

Les valeurs moyennes du module mesuré à 28 jours sur les bétons projetés sont comprises :

entre 30,7 et 44,2 GPa, pour la voie sèche, avec une moyenne égale à 35,9 GPa,

entre 19,5 et 24,9 GPa, pour la voie mouillée, avec une moyenne égale à 22,3 GPa.



Le rapport S/G des bétons projetés sur le support par voie sèche est compris entre 4,0 et 15,1

alors que pour les bétons projetés par voie mouillée ce même rapport est compris entre 1,2 et

3,9.

Ces valeurs sont systématiquement inférieures aux modules calculés grâce à la formule BAEL

(E=(11 000*fc28)⅓) d’après la résistance en compression à 28 jours : 43 GPa en moyenne pour

la voie sèche et 38 GPa pour la voie mouillée. Les formules BAEL ne sont donc pas adaptées

aux bétons projetés obtenus (cf figure 58).

10

15

20

25

30

35

40

45

50

30 40 50 60 70 80 90

résistance en compression (MPa)

mod

ule

d'él

astic

ité (G

Pa)

valeurs mesurées

valeurs calculées d'après la formule du BAEL

Figure 58 : valeur du module en fonction de la valeur de la résistance en compression et de la formule BAEL

L’AFTES [AFTES, 2000] préconise l’utilisation d’une valeur forfaitaire égale à 7 ou 10 GPa

(valeur proposée par Pöttler [Pöttler, 1990]), cette valeur intègre la convergence du terrain en

fonction de la distance au front de taille, le retrait et le fluage du béton. Elle n’est pas

comparable aux résultats obtenus.

Les dispersions par rapport à la moyenne sont du même ordre que la dispersion des valeurs

obtenues pour un même béton, de l’ordre de 10%. Certains bétons ont donné des valeurs très

dispersées qui sont attribuables à l’hétérogénéité possible du matériau.

La progression dans le temps des valeurs de module montre que la méthodologie de l’essai

n’est pas adapté au jeune âge (voire à 7 jours).



On observe une forte progression des valeurs jusqu’à 24 heures (50% de la valeur à 28 jours)

puis une progression atténuée jusqu’à 90 jours et ensuite une stagnation des valeurs jusqu’à

un an (cf tableau 31, figures 59 et 60).

évolution du module élastique des bétons projetés par voie sèche

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400


mod

ule

élas

tique

(GPa

)

C1-0 C1-moyenne

S-O S-O-moyenne

S-S S-S-moyenne

S-P S-P-moyenne

S-D2 S-D2-moyenne

Figure 59 : évolution du module élastique des bétons projetés par voie sèche

évolution du module élastique des bétons projetés par voie mouillée

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400


mod

ule

élas

tique

(GPa

)

S0 S0-moyenne

S0-W2 S0-W2-moyenne



S2-W2 S2-W2-moyenne

Figure 60 : évolution du module élastique des bétons projetés par voie mouillée



Globalement la valeur à 28 jours donne une bonne estimation de la valeur de module des

bétons à long terme.

Tableau 31 : plage de valeurs des modules et moyennes pour les différentes échéances testées (GPa) 1 jour 7 jours 28 jours 90 jours 365 jours plage de





valeurs moy.

voie mouillée 7,3 – 29,0 19,8 10,2 – 25,8 20,0 16,6 – 27,5 23,3 21,8 – 33,0 27,3 21,7 – 33,0 27,3 voie sèche 21,9 – 30,9 24,8 23,3 – 34,7 29,9 28,9 – 39,5 34,1 32,2 – 41,9 36,9 29,2 – 52,0 39,8

La valeur du module varie selon le type de fibre et la composition (cf chapitre 7).

Le module de 4 bétons projetés (2 pour chaque mode de projection) a été mesuré à l’aide de

jauges de déformation. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 32 :

Tableau 32 : valeurs et moyenne des modules mesurés avec des jauges de déformation en comparaison avec la moyenne des modules mesurés par étrier Mesure du module par jauges de déformation (GPa) par étrier (GPa)

Voie Fibres Moyenne Ecart-type Dispersion (%) Moyenne Ecart-type Dispersion Avec 20,5 1,8 9,0 24,4 2,0 8,3 Mouillée Sans 24,5 1,9 7,6 23,5 3,1 13,1 Avec 33,1 1,3 3,9 36,3 5,8 16,0 Sèche Sans 35,2 0,3 0,8 35,8 8,7 24,3

Les valeurs de modules mesurées par les deux méthodes sont très proches, la méthode par

jauges limite les dispersions sur les résultats. En revanche, elle est plus longue et plus

coûteuse. C’est pourquoi la mesure du module est couramment effectuée avec un étrier.

6.5.4 Coefficient de Poisson

Le coefficient de Poisson mesuré sur les bétons testés projetés par voie sèche est de l’ordre de

0,21 (6 résultats peu dispersés). Pour la voie mouillée, cette grandeur est égale à 0,23 en

moyenne avec des résultats plus dispersés (cf tableau 33).

Le coefficient de Poisson communément admis pour les bétons coulés vaut 0,2. Cette valeur

peut également être appliquée aux bétons projetés. Les bétons projetés par voie mouillée

apparaissent avoir un coefficient de Poisson plus élevé que ceux projetés par voie sèche. Les

fibres ne semblent pas avoir une incidence sur cette grandeur.

Tableau 33 : valeurs des coefficients de Poisson mesurés mode de projection fibres ? mesures du coefficient de Poisson moyenne écart-type dispersion (%)

Avec 0,206 0,233 0,296 0,245 0,046 18,9 voie mouillée Sans 0,243 0,220 0,215 0,226 0,015 6,6 Avec 0,218 0,209 0,210 0,212 0,005 2,4 voie sèche Sans 0,209 0,216 0,221 0,215 0,006 2,7

moyenne 0,225

6.5.5 Résistance en traction par fendage sur béton non fibré (cf annexe 19)

La mesure de la résistance en traction par fendage à 28 jours réalisée sur un béton non fibré

donne les valeurs moyennes suivantes : 6,8 MPa pour la voie sèche et 5,4 MPa pour la voie



mouillée. Ces valeurs sont supérieures aux valeurs calculées selon la formule (ft28 =

0,6+0,06*fc28) du BAEL (respectivement 4,5 et 3,1 MPa) d’après les valeurs de la résistance

en compression de ces mêmes bétons à 28 jours (cf figure 61). Les valeurs obtenues grâce aux

formules du BAEL sont donc également sécuritaires dans le cas des bétons projetés.

Le gain est supérieur à 50% ce qui est plus élevé que les valeurs classiquement mesurées sur

bétons coulés. Le BAEL est toujours conservatif, mais la marge est plus importante pour les

bétons projetés que dans le cas des bétons coulés.

0

2

4

6

8

10

12

14

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

résistance en compression (MPa)

rési

stan

ce e

n tr

actio

n (M

Pa)

valeurs mesurées (fendage)

valeurs mesurées (traction directe

valeurs calculées d'après la formule du BAEL

Figure 61 : valeur de la résistance en traction en fonction de la valeur de la résistance en compression et de la formule BAEL

Les bétons testés projetés par voie sèche ont une résistance en traction par fendage légèrement

supérieure à celle des bétons projetés par voie mouillée.

Les mesures de la résistance en traction par fendage, conduites à diverses échéances (de 1 à

90 jours, cf tableau 34), suivent une courbe régulière pour les deux types de projection (cf

figure 62).

Tableau 34 : résistance en traction par fendage (MPa) de bétons non fibrés 1 jour 7 jours 28 jours 90 jours 365 jours valeurs moy. valeurs moy. valeurs moy. Valeurs moy. valeurs moy.

voie mouillée 3,8 2,5 2,8 3,03 4,4 4,7 4,7 4,60 5 6,3 5,1 5,47 5,98 6,32 6,49 6,26 - - - -

voie sèche 4,60 5,10 5,10 4,93 6,50 6,10 6,30 6,30 6,50 6,70 7,30 6,83 7,20 6,90 7,40 7,17 7,60 8,80 7,40 7,93



évolution de la résistance en traction

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


rési

stan

ce e

n tr

actio

n (M

Pa)

voie sèchemoyennevoie mouilléemoyenne

Figure 62 : évolution de la résistance en traction des bétons projetés de 1 à 90 jours

6.5.6 Résistance au poinçonnement--flexion d’un béton projeté (cf annexe 20)

Le poinçonnement-flexion est évalué par le biais de l’énergie absorbée par une dalle lors de sa

déformation. La valeur de l’énergie absorbée exigée en France pour une déformation imposée

de 25 mm est 600 Joules en moyenne avec aucune valeur inférieure à 500 J [AFTES, 1994].

Tous les bétons projetés étudiés lors des deux campagnes ont atteint cette valeur.

Des applications particulières peuvent nécessiter une plus grande ductilité (1000 J),

notamment le soutènement de tunnels dans des roches de mauvaise qualité [Grimstad & al,

2002]. Il s’avère possible d’obtenir aisément de tels bétons par voie sèche et par voie

mouillée.

La composition du béton, les dimensions des fibres et leur dosage influe directement sur le

comportement du béton sous sollicitation de poinçonnement-flexion (cf chapitre 7).



0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

déformation centrale de la plaque (mm)

char

ge (k

N)

fibres : 30 mm, 0,38 mm ; 10 kg/m3

fibres : 35 mm, 0,50 mm ; 24 kg/m3

fibres : 35 mm, 0,55 mm ; 17 kg/m3

Figure 63 : évolution de la charge en fonction de la déformation par poinçonnement-flexion d’une plaque de béton projeté par voie sèche

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30


char

ge (k

N)

fibres : 30 mm, 0,50 mm ; 28 kg/m3

fibres : 30 mm, 0,38 mm ; 24 kg/m3

fibres : 35 mm, 0,55 mm ; 29 kg/m3

fibres : 30 mm, 0,55 mm ; 29 kg/m3

fibres : 50 mm, 0,62 mm ; 15 kg/m3

Figure 64 : évolution de la charge en fonction de la déformation par poinçonnement-flexion d’une plaque de béton projeté par voie mouillée



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30


char

ge (k

N)

haute teneur en gravillons (S/G = 1,63)

fibres size : L = 30 mm, D = 0,50 mm

fumée de silice (4 %)

haute teneur en fibres (60 kg/m³)

béton projeté de référence

de 48 à 68 kN

de 11à 22 kN611 J

954 J

1075 J

789 J

Figure 65 : évolution de la charge en fonction de la déformation par poinçonnement-flexion d’une plaque de béton projeté par voie mouillée

La charge maximale reprise par une dalle de béton, âgée de 28 jours, lorsque celle-ci est

soumise à une charge de flexion centrée imposant une déformation de 25 mm est :

pour les bétons fibrés projetés par voie sèche comprise entre 58,2 et 64,4 kN,

(moyenne sur trois bétons dont le paramètre variant est la dimension des fibres :

60,6 kN),

pour les bétons fibrés projetés par voie mouillée comprise entre 48,0 et 77,1 kN

(moyenne sur huit bétons de matrices, de fibres et de dosages différents : 57,2 kN).

La charge résiduelle reprise par les bétons après une déformation centrée de 25 mm est :

pour les bétons fibrés projetés par voie sèche comprise entre 11,9 et 16,5 kN,

(moyenne sur trois bétons de même matrice mais de fibres de dimensions différentes :

13,8 kN),

pour les bétons fibrés projetés par voie mouillée comprise entre 10,7 et 27,7 kN

(moyenne sur huit bétons de matrices, de fibres et de dosages différents : 19,9 kN). La

résistance résiduelle au poinçonnement-flexion des bétons dépend du type de fibres (cf

chapitre 7).

L’emploi des fibres rend le béton ductile. Bien que l’essai plaque ne soit pas représentatif des

bétons non renforcés de fibres métalliques, les valeurs mesurées sur des bétons non renforcés

sont égales à 91 Joules en voie mouillée et 228 Joules en voie sèche. La courbe exprimant la



charge reprise par la dalle en fonction de la déformation imposée présente une résistance nulle

à 25 mm de déflection (cf figure 19).

L’énergie absorbée par la plaque de béton lors d’une déformation centrée de 25 mm est :

pour les bétons fibrés projetés par voie sèche comprise entre 783 et 874 J (moyenne

sur trois bétons de même matrice mais de fibres de dimensions différentes : 815 kN),

pour les bétons fibrés projetés par voie mouillée comprise entre 639 et 1201 J

(moyenne sur huit bétons de matrices, de fibres et de dosages différents : 897 kN). La

résistance au poinçonnement-flexion des bétons projetés par voie mouillée dépend de

la composition et du type de fibres (cf chapitre 7).

6.5.7 Résistance au poinçonnement-flexion d’un béton coulé n’ayant pu être

projeté (à titre informatif)

Un des bétons étudiés lors de la campagne expérimentale voie mouillée n’a pu être projeté. Il

a donc été coulé dans des caisses pour connaître ses performances. Ce béton dosé a 450 kg de

ciment et adjuvanté de fumée de silice (30 kg/m³), de rapport E/C limité à 0,30 et de teneur en

fibres égale à 80 kg/m³, a une résistance de plus de 70 MPa et une énergie de poinçonnement-

flexion supérieure à 2000 J. La résistance au poinçonnement-flexion de ce béton a été

mesurée à 174,4 kN.

6.6 Caractéristiques liées au comportement différé des bétons

projetés durcis

Le comportement différé est la réaction du béton à long terme sous une sollicitation

permanente. Nous avons étudié le fluage. Pour tenir compte du phénomène de contraction des

éprouvettes lié au retrait « endogène » du béton, parallèlement aux mesures de fluage, des

mesures de retrait on été effectuées. Nous appelons ce retrait : endogène par opposition au

retrait de dessication, puisque les échantillons ont été préservés du milieu ambiant par des

feuilles d’aluminium. Pour se corréler aux mesures de fluage et puisque l’obtention de corps

d’épreuve de béton projeté de bonne qualité nécessite des délais trop longs, les mesures ont

débuté à 7 jours. Le retrait d’hydratation proprement dit s’était déjà réalisé, le véritable retrait

endogène n’a donc pu être mesuré.



6.6.1 Retrait (cf annexe 22)

Les valeurs obtenues sont globalement faibles (inférieures à 0,030 mm/m au bout d’un an) et

sont moins importantes pour la voie sèche (cf figure 66) que pour la voie mouillée (du simple

au double).

-0,025

-0,020

-0,015

-0,010

-0,005

0,000

0,005

0 50 100 150 200 250 300 350 400

échéances (jours )

défo

rmat

ions

due

s au

retr

ait (

mm

/m)

sans f ibre

avec f ibres

Figure 66 : évolution de « retrait endogène » dans le temps des bétons projetés par voie sèche

Ces valeurs sont faibles mais correspondent aux valeurs traditionnellement mentionnées pour

les bétons courants [Féron, 2002 & Chanvillard, 1999] (cf annexe 24).

-0,06

-0,05

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

00 100 200 300 400 500 600 700 800

échéances (jours )

défo

rmat

ions

due

s au

retr

ait (

mm

/m)

sans f ibre

avec f ibres

Figure 67 : évolution de « retrait endogène » dans le temps des bétons projetés par voie mouillée



Elles s’expliquent par un rapport E/C relativement bas des les bétons projetés (0,40 pour la

voie sèche et 0,48 pour la voie mouillée). La projection par voie sèche favorise les faibles

retraits de par sa faible teneur en eau et la grande compacité des bétons.

Les valeurs de retrait mesurées au bout de deux ans sur des bétons projetés par voie mouillée

(cf figure 67) a presque doublé (0,042 mm/m) par rapport aux valeurs mesurées à un an. Le

phénomène n’est donc pas encore en phase décroissante à cette échéance.

6.6.2 Fluage (cf annexe 23)

L’étude du fluage des bétons projetés par voie mouillée a été réalisée en chargeant les deux

bâtis avec deux charges différentes : 5 et 10 MPa, ce qui correspond à environ 12% et 25% de

la résistance en compression des bétons à 28 jours.

Les bétons testés ont les caractéristiques mécaniques suivantes :

Tableau 35 : caractéristiques mécaniques des bétons soumis au fluage Type de béton Résistance en compression à 28 jours Module d’Young à 28 jours

voie mouillée fibré 43 24 400 non fibré 41 23 500

voie sèche fibré 60 36 300 non fibré 69 35 800

L’évolution du fluage a été suivie pendant un an pour les deux bâtis. Le bâti chargé à 10 MPa

a été conservé de manière à obtenir l’évolution des bétons projetés par voie mouillée jusqu’à

deux ans.

-0,18

-0,16

-0,14

-0,12

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,000 100 200 300 400 500 600 700 800

échéances (jours)

défo

rmat

ions

due

s au

flua

ge (m

m/m

)

avec fibres

sans fibre

sans fibre

avec fibres

Figure 68 : évolution du fluage dans le temps des bétons projetés par voie mouillée

5 MPa

10 MPa



Les bétons projetés par voie sèche ont été chargés à 5 MPa (soit moins de 10% de la

résistance à la rupture des bétons) sur un seul bâti et les mesures enregistrées pendant un an.

-0,09

-0,08

-0,07

-0,06

-0,05

-0,04

-0,03

-0,02

-0,01

00 50 100 150 200 250 300 350

échéances (jours)

défo

rmat

ions

due

s au

flua

ge (m

m/m

)

sans f ibre

avec f ibres

Figure 69 : évolution du fluage dans le temps des bétons projetés par voie sèche

La déformation des bétons projetés par voie mouillée (de résistance en compression de l’ordre

de 40 MPa à 28 jours) au bout de deux ans vaut – 0,162 mm/m pour les bétons sans fibre et –

0,135 mm/m pour les bétons en contenant pour un chargement de 10 MPa (soit 25 % de la

résistance en compression à 28 jours). Ces valeurs correspondent à une augmentation de 22%

par rapport aux valeurs à un an : – 0,132 et – 0,111 mm/m respectivement. Il y a alors

ralentissement du phénomène de fluage qui se traduit par l’allure des courbes 68 et 69.

Le chargement a une influence sur les valeurs de fluage et normalement lorsqu’on double la

valeur de chargement, on double également les déformations ce qui est globalement le cas ici

(cf tableau 36). Les écarts sont de 10 et 25% selon que les bétons contiennent ou non des

fibres.

Tableau 36 : valeurs de fluage des bétons projetés testés par voie mouillée (mm/m) valeurs de fluage (mm/m) pour un

chargement de 10 MPa valeurs de fluage (mm/m) pour un

chargement de 5 MPa double des valeurs de fluage pour

un chargement de 5 MPa Ecart (%)

béton sans fibre - 0,131 -0,082 - 0,164 25 béton avec fibres - 0,111 - 0,061 - 0,122 10

Pour un même chargement de 5 Mpa, les valeurs de fluage mesurées sur les bétons projetés

par voie mouillée correspondent à celles mesurées sur les bétons projetés par voie sèche (en

moyenne : - 0,072 mm/m pour les bétons projetés par voie mouillée contre – 0,069 mm/m

pour ceux projetés par voie sèche), alors que les résistances mécaniques de ces deux bétons

sont très différents (40 MPa en voie mouillée et plus de 60 MPa pour la voie sèche soit un

5 MPa



chargement correspondant à 12% de la résistance en compression pour les bétons projetés par

voie mouillée et à 7-8% pour les bétons projetés par voie sèche). Cette différence semble être

justifiée par le volume de fines en place dans le béton qui diffère selon le type de projection.

Par rapport aux bétons non fibrés, les bétons fibrés ont connu un plus fort fluage (+16%) lors

de la projection par voie sèche et plus faible (-26%) lors de la projection par voie mouillé.

Les déformations de fluage mesurées sont largement inférieures :

- aux valeurs calculées par le biais des différents modèles classiquement utilisés (cf

annexe 24)

- aux valeurs mesurées sur des bétons coulés expérimentalement.

6.7 Caractéristiques liées à la durabilité des bétons projetés

durcis

La durabilité d’un matériau est l’étude du comportement du béton durant son vieillissement

naturel mais également son comportement vis-à-vis d’un environnement agressif ou vis-à-vis

d’une sollicitation particulière., la résistance au feu et au gel-dégel, la sensibilité aux alcalins.

La profondeur de carbonatation est traitée sous forme bibliographique.

La durabilité dépend des échanges d’eau par le biais du réseau poreux (porosité ouverte ou

fermée). D’autres aspects sont évoqués dans la littérature mais ne seront pas traités dans ce

mémoire : l’absorption capillaire, la profondeur de pénétration des ions chlorure et la sorption

de la vapeur d’eau notamment.

6.7.1 Porosité totale des bétons projetés (cf annexe 21)

La porosité totale accessible à l’eau a été mesurée systématiquement pour tous les bétons

testés dans les deux campagnes expérimentales. Les valeurs mesurées sur les bétons projetés

par voie sèche sont comprises entre 13 et 18% avec une moyenne de 15,6%. Pour la voie

mouillée cette fourchette se situe entre 15 et 19% avec une moyenne de 17,2%.

Les valeurs de la porosité des différents bétons projetés par voie mouillée sont trop proches

les unes des autres pour mettre en évidence des tendances. Les écarts sont également faibles

en voie sèche mais il apparaît que :

les bétons non préhumidifiés sont légèrement plus poreux,

les bétons projetés avec un faible débit d’air ne s’avèrent pas plus poreux que ceux

projetés avec un débit d’air standard,



plus le mélange contient d’éléments fins et plus la porosité est grande.

Ces deux dernières remarques vont à l’encontre de ce à quoi on pourrait s’attendre.

Les bétons projetés par voie sèche sur chantier ont une valeur de porosité de l’ordre de 15-

16% [Maguet, communication orale]. Ces mesures sont rarement faites sur chantier. Les

bétons coulés courants de performances mécaniques comparables ont une porosité de l’ordre

de 13 à 14%.

6.7.2 Qualification de la structure poreuse des bétons projetés (cf annexe 21)

Pour quatre bétons projetés par voie sèche, des mesures de porosité par intrusion de mercure

ont été réalisées (cf tableau 37). Cet essai permet de qualifier et quantifier la structure

mésoporeuse (entre 20 et 500 Å) et macroporeuse (pores de taille supérieure à 500 Å) des

bétons et déterminent les propriétés de transfert conditionnant la durabilité des bétons.

Tableau 37 : porosité des bétons projetés par voie sèche C1-O C4-O C14-O RT-O moyenne N°5 N°34 N°27 N°45

Ciment 380 380 380 380 - Fillers calcaires 0 98 68 68 -

SS1 351 561 334 274 - SS2 210 183 200 154 - SS3 280 210 267 428 -

composition

graviers 561 (roulés) 351 (roulés) 534 (roulés) 479 (concassés) - volume total cumulé (mm³/g) 44,8 52,6 41,8 33,9 43,3

porosité totale (%) 10,4 12,1 9,9 8,2 10,1 densité apparente (g/cm³) 2,32 2,30 2,37 2,41 2,35

densité apparente corrigée (g/cm³) 2,59 2,62 2,63 2,63 2,62 rayon de pore moyen (nm) 310 313 39 67 182

résultats

surface spécifique (m²/g) 3,23 2,61 3,02 2,22 2,77

Figure 70 : distribution de la taille des pores des bétons projetés



Les résultats (tableau 37 et figure 70) ne font pas apparaître de relation entre la composition

des mélanges à projeter (teneur en fillers calcaires) et les valeurs obtenues. On peut faire le

même constat avec les courbes granulométriques des mélanges ou des bétons (cf figure 71).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)

limite inférieure

limite supérieure

béton C1-O

béton C1-4-O

béton C4-O

béton R-T-O

mélange C1-O

mélange C1-4-O

mélange C4-O

mélange R-T-O

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

16

Figure 71 : courbes granulométriques réelles des mélanges à projeter et des bétons correspondant dont la mesure de la porosité par intrusion de mercure a été réalisée

Les valeurs de porosité obtenues par la méthode de l’intrusion de mercure sont

systématiquement inférieures à celles obtenues au moyen de la porosité à l’eau (cf

tableau 38).

Tableau 38 : comparaison des valeurs de porosité accessibles à l’eau et des valeurs de porosité au mercure C1O C4-O C14-O RT-O

Porosité au mercure (%) 10,4 12,1 9,9 8,2 Porosité à l’eau (%) 15,0 16,5 15,3 15,5

Cette différence affecte également les mesures sur les bétons coulés courants : la porosité au

mercure ne concerne que les pores d’une certaine taille, comprise entre 37 Å et 60 µm, alors

que la mesure à l’eau permet d’accéder à une valeur prenant en compte tous les pores

[Baroghel-Bouny et Gawséwitch, 2000]. La porosité au mercure des bétons contenant des

pores de grosse taille ou au contraire très fins (inférieurs à 50 Å comme c’est le cas des bétons

à hautes performances) est forcément faussée.

Dans le cas présent, les porosités mesurées à l’eau ne correspondent pas à des bétons de faible

porosité. La projection peut cependant générer une macroporosité non prise en compte par

l’essai d’intrusion de mercure.



Le béton composé de granulats concassés (RT-O) a généré la plus faible porosité (8,2% contre

10,1% en moyenne) mais cette remarque n’est pas nécessairement généralisable (même

remarque pour le volume total cumulé et la surface spécifique).

Le béton contenant le plus d’éléments fins (C14-O) a la plus grande porosité (12,1%) et les

pores de plus gros diamètre moyen 313 nm pour une moyenne proche de 180 nm. Le diamètre

moyen des pores des quatre bétons testés varie grandement (de 40 nm à 310 nm) alors que les

autres valeurs ont des fourchettes de valeurs plus restreintes.

La comparaison des résultats de C1-O et C14-O montre que la porosité du second béton est

nettement plus fine pour une porosité équivalente : la porosité du second béton (C14-O ),

contenant le plus d’éléments fins, est donc constituée d’un réseau de multiples micro-bulles

d’air, alors que l’autre béton (C1-O) a un réseau moins dense de bulles d’air de plus gros

diamètres. Le béton contenant le plus d’éléments fins (C14-O) sera plus résistant au gel-dégel.

Les quatre bétons testés ont une porosité multi-modale avec trois rayons prépondérants (cf

figure 72) :

le premier situé autour du 500 et 800 Å,

le second situé autour de 20 000 Å (quasi inexistant pour le béton contenant le plus

d’éléments fins : C14-O),

le dernier situé entre 30 et 50 µm (inexistant pour le béton contenant des granulats

concassés RT-O mais très prononcé pour le béton contenant le plus d’éléments fins :

C14-O).

Figure 72 : distribution de la taille des pores des bétons projetés



Le rayon des pores des bétons coulés est de l’ordre de 500 Å. Le béton projeté a donc une

porosité légèrement plus grosse. L’emploi de fumée de silice densifie la microstructure et

réduit la taille des pores à 100 Å. L’emploi d’agents entraîneurs d’air génère un volume

poreux supplémentaire (pic localisé autour de 10 000 Å) qui se combine à la porosité d’un

béton non adjuvanté [Baroguel-Bouny et Gawséwitch, 2000].

6.7.3 Résistance au feu des bétons - généralités

Endommagement du béton

Un béton soumis à de fortes températures s’endommage de deux façons :

la matrice se détériore et perd de sa résistance, on parle alors de décohésion thermique

[Kamrowski, 2001],

l’écaillage affecte le béton dans la masse et réduit l’épaisseur.

A 450°C, la pâte de ciment se décompose mais dès 350°C, la résistance de la pâte décroît

[Khoury, 2002].

L’écaillage est la rupture plus ou moins violente du béton. Il est généré par :

la montée de la pression interstitielle (déchaussement des granulats), les pressions

mises en jeu ne dépassent pas 3 MPa [Noumowé, 1995],

les contraintes thermiques (rupture des granulats), et dans ce cas la pression

interstitielle ne joue qu’un rôle secondaire influant sur la localisation des

endommagements,

les contraintes mécaniques (gêne de la dilatation) [Ulm et al., 1998].

L’écaillage expose rapidement les aciers a de fortes températures.

Le mécanisme d’endommagement est lié à quatre phénomènes [Wetzig, 2002] :

formation de vapeur d’eau lorsque la température du béton atteint 100°C,

augmentation de la pression interstitielle et génération de contraintes de traction dans

le béton, augmentation de la porosité et réduction des performances du béton,

conversion chimique du béton :

décomposition de la pâte de ciment à 450°C, formation de vapeur d’eau, augmentation

de la pression dans le béton,

transformation du quartz à 573°C, augmentation du volume des granulats,

augmentation des efforts de traction dans le béton,



décarbonatation à 700°C, formation de dioxyde de carbone (gaz),augmentation de la

pression des gaz dans le béton, réaction endothermique pouvant jouer un effet retard

[Baron et Sauterey, 1982],

pertes des caractéristiques des aciers de renforcement (à 700°C, perte de 80% de la

résistance), dilatation différentielle par rapport au béton générateur de fissure (l’acier

garde des caractéristiques thermiques proches de celles du béton jusqu’à 400°C),

dilatation du béton avec la température, si les déformations sont génées

mécaniquement il se produit des contraintes telles que le béton se trouve effeuillé dans

la masse comme une coquille.

L’allongement thermique induit une contrainte de 0,4 MPa/°C (dans le cas d’une élévation

rapide de température sinon 0,2MPa/°C [Maguet, communication orale]). Ulm parle, lui, de

0,8 à 1,0MPa/°C [Ulm, 1999].

Dommages constatés

Lorsque des bétons sont soumis à des températures proches de 1000°C, les premiers

centimètres de béton seulement atteignent 800°C, les couches de béton plus profondes

atteignent des températures nettement inférieures : à 10 cm du parement, la température

atteinte n’excède pas 200°C. Entre ces deux valeurs, la décroissance de la résistance en

compression est quasiment linéaire et celle du module élastique légèrement plus rapide

comme le montre le graphe ci-dessous [Potié, 2002].

Des études effectuées suite à l’incendie du tunnel sous la Manche présentent d’autres valeurs :

pour une température imposée de 700°C, la température à une profondeur de 10 cm atteinte

500°C mais elle est inférieure à 200°C à 40 cm du parement [Ulm et al., 1998].

Figure 73 : carte des zones du béton ayant atteint des températures identiques



Ces résultats sont confirmés par des tomographies (carte de la vitesse de propagation des

ondes de Raleigh dans le béton en corrélation avec la résistance du béton). Une vitesse de

propagation d’onde supérieure à 1000m/s peut être considérée comme représentative d’un

béton de bonne qualité. La vitesse des ondes de Raleigh atteint cette valeur à 10 cm du

parement exposé (cf figure 73).

Justification de ce comportement

La justification des comportements observés ne peut se satisfaire de l’équation de propagation

de la chaleur. Le problème est plus complexe avec des interactions thermiques, chimiques,

mécaniques et hygrométrique qui se combinent. La prise en compte de toutes ses interactions

est difficile mais des travaux ont été entrepris [Potié, 2002].

Moyens de prévention

Les moyens de prévention sont les suivants :

la mise en place d’une barrière thermique (mortier de ciment de faible conductivité

thermique à base de minéraux) pour protéger le support structurel en béton et les

aciers des fortes températures et de l’écaillage,

l’adjonction de fibres polypropylène pour augmenter la perméabilité du béton,

l’adjonction de fibres métalliques pour retenir les écailles qui forment alors une feuille

protectrice pour la structure non endommagée,

la mise en place d’un treillis soudé pour retenir les parties qui pourraient se décoller

[Wetzig, 2002]. Les bétons renforcés uniquement avec un treillis soudé résistent peu

aux fortes températures et se détachent par plaques [Tatnall, 2002].

Le renforcement a des qualités mais il augmente les risques d’écaillage [Ulm et al., 1998].

Le choix des granulats doit être judicieux car certaines combinaisons ne jouent pas en faveur

de la résistance au feu [Wetzig, 2002]. Les bétons de granulats calcaires sont moins sensibles

que les bétons de granulats siliceux [Baron et Sauterey, 1982].

L’emploi de cendres volantes ralentit la montée en température [Wetzig, 2002]. La fumée de

silice augmente les contraintes thermiques et donc l’écaillage. Les bétons hautes

performances génèrent un écaillage très explosif, fin et multiple [Khoury, 2002]. L’ajout de

fine influe sur la résistance au feu par l’intermédiaire de la porosité.



Le cas le plus probant est la comparaison de divers tunnels dont celui du Mont-Blanc : le

béton le moins résistant qui s’avère être, aussi, le plus poreux a le mieux supporté les fortes

températures (cf tableau 39).

Tableau 39 : comparaison des dommages dans divers tunnels Manche Mont-Blanc Tauern Saint-Gothard

Durée de l’incendie (h) 10 53 15 48 Intensité (Méga Watt) > 30 100-150 > 30 30

Température atteinte (°C) < 800 > 1000 > 800 < 800 Résistance en compression du béton (MPa) > 90 20 / 40 > 60 > 60

Dommages constatés béton à terre pas de béton à terre, cratères béton à terre béton à terre

Les fibres synthétiques les plus adaptées sont les microfibres mono-filamentaire de 18µm de

diamètre. Des fibres plus grosses génèrent moins de rebonds (surtout dans les turbulences de

la projection par voie sèche) mais sont moins efficaces car le réseau est moins dense. Le

dosage préconisé se situe entre 2 et 4 kg/m³ [Ulm et al., 1998] mais des expériences ont

montré que 1,8 kg de micro-fibres suffisent pour protéger une structure de l’écaillage explosif

[Tatnall, 2002].

Pour des températures inférieures à 165°C, les fibres gonflent. Au-delà de cette température,

les fibres ramollissent. Le polypropylène ayant un fort coefficient de dilatation (60 contre 12

pour le béton et l’acier), pour des températures inférieures à 160°C, le gonflement des fibres

génère la formation de fissures. Dans le cas des micro-fibres (diamètre égal à 30 µm),

l’augmentation de volume génère des microfissures favorables à la réduction de la pression

interstitielle [Tatnall, 2002]. Lorsque les fibres sont trop volumineuses, ces fissures peuvent

s’avérer préjudiciables pour la résistance du béton. Des dommages ont été constatés dans le

tunnels sous la Manche, la dilatation des joints synthétiques à provoquer des fissurations dans

le béton [Maguet, communication orale].

Stabilité des structures

Lors de l’évaluation de la résistance au feu d’une structure, il n’est pas seulement question de

la résistance au feu du matériau et de l’évolution des caractéristiques du béton. Le gradient de

température génère un système iso- ou hyper-statique et des contraintes à l’intérieur de la

structure [Kamrowski, 2001].

6.7.4 Couleur des bétons projetés après traitement thermique

Lorsque le béton est soumis à de fortes températures, il se produit différentes modifications

dans sa matière (transformations chimiques et cristallines). Ces modifications se traduisent

par un changement de la couleur du béton. Elles sont irréversibles : le matériau garde la



mémoire du traitement thermique qu’il a subi même après refroidissement [Faure et Hémond,

2001].

La couleur est un effet d’optique qui résulte d’une interaction entre le matériau et la lumière.

Elle se mesure au moyen de coordonnées chromatiques : L, a, b. La valeur de ces grandeurs

sont généralement obtenues en faisant la moyenne de trois mesures effectuées sur une surface

de 1m². Ici les carottes ont une surface de 28 mm², une seule mesure a donc été réalisée.

L représente l’intensité de la couleur (0 : sombre, 100 : lumineux) et a, b représentent les

coordonnées dans un cercle de couleur suivant deux axes (cf figure 74).

Figure 74 : disque des couleurs atteintes en fonction des coordonnées chromatiques a et b

Les résultats obtenus sur les bétons projetés par voie mouillée soumis à ce traitement

thermique sont recensés dans le tableau 40.

Tableau 40 : coordonnées chromatiques moyennes des bétons projetés testés aux différentes températures L a b

20°C 74,6 0,4 6,6 200°C 74,1 0,7 7,9 400°C 70,3 2,6 7,8 600°C 69,9 1,6 5,4

Les bétons testés sont restés dans une tonalité grise (a et b inférieures à 20).

Après une chauffe à 600°C, les bétons changent visuellement de couleur, deviennent plus

clairs. Ceci est confirmé par la valeur de L qui décroît avec la température (cf figure 75).

a

zone de couleur des bétons projetés avant et après traitement thermique

-a



66

68

70

72

74

76

78

80

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

vale

ur d

u co

effic

ient

L

valeurs

moyenne

Figure 75 : évolution du coefficient L en fonction de la température de chauffe des bétons

La variation, en fonction de la température, des coordonnées chromatiques passe par un

optimum (cf figure 76) :

à 300°C pour b avec une progression régulière et symétrique,

à 400°C avec une progression rapide entre 200 et 400°C.

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

coor

donn

ées a

et b

valeurs de amoyenne de avaleurs de bmoyenne de b

Figure 76 : évolution des coefficients a et b en fonction de la température



Cependant les valeurs des variations restent suffisamment faible pour que les répercussions

soient négligeables sur la couleur du béton.

D’autres essais montrent que des échantillons de bétons soumis à une température de 800°C

s’éclaircit davantage et que leur couleur tend vers le rouge [Potié, 2002].

6.7.5 Tenue au feu des bétons projetés – mesures et résultats (cf annexe 25)

Pour évaluer leur tenue au feu, des échantillons de béton projeté ont été soumis à de fortes

températures pendant 2 heures. Les températures testées sont 200, 400 et 600°C. Avant et

après cet échauffement, différentes mesures ont été effectuées sur ces bétons : résistance en

compression, modules (de flexion, de torsion et longitudinal par mesure au grindo-sonique

selon la position relative des capteurs sur la carotte de béton), couleur. Les bétons étaient alors

âgés de 3 mois pour la voie sèche et 6 mois pour la voie mouillée.

L’arrêté du 3 août 1999 relatif à la résistance au feu des éléments de construction [JO, 2000]

stipule les exigences sur les bétons soumis au feu, seule la résistance en compression est

mesurée.

Bétons projetés par voie mouillée

L’évolution des douze bétons testés (180 carottes au total) est pratiquement identique pour

chaque grandeur évaluée. Les résultats sont assez dispersés (cf courbes et résultats en

annexe 24), entre 24% pour la résistance en compression et 42% pour le module longitudinal.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500 600 700température (°C)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa) e

t mod

ule

(GPa

)

résistance en compression

module de f lexion

module longitudinal

module de torsion

Figure 77 : chutes de résistance en compression et de module en fonction de la température à laquelle est soumise le béton projeté par voie mouillée testé



Les chutes les plus importantes concernent la résistance en compression et le module de

flexion (cf figure 77).

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

mod

ule

élas

tique

(GPa

)

valeurs mesurées sur les bétons projetés

courbe proposée par Baron et Sauterey

Figure 78 : évolution du module élastique des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température

Des mesures à des échéances plus fréquentes montreraient une évolution différente du module

élastique (cf figure 78) passant par un optimum pour une température proche de 100°C [Baron

et Sauterey, 1982] avec une répercussion sur la courbe exprimant le rapport de la résistance en

compression sur le module en fonction de la température (cf figure 79).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500 600 700température (°C)

Rc/

E*1

0^3



Figure 79 : évolution du rapport Rc/E des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température



Après un échauffement à 200°C durant 2 heures, les bétons ne satisfont plus les critères

d’exigence (résistance inférieure à 30 MPa en moyenne). Après un échauffement de la même

durée à 400°C, la résistance en compression est inférieure à 25 MPa. Elle est inférieure à

15 MPa après un échauffement de 600°C. Les pertes atteignent 70% pour la résistance en

compression à 600°C et plus de 90% pour les modules à cette même température (cf figure

80).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700température (°C)

pour

cent

age

de p

erte

(%)


module de flexion

module longitudinal

module de torsion

Figure 80 : pertes des caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température

La régression du module de flexion suit la pente de la régression de la résistance en

compression. Sa valeur passe de 27 GPa à 20°C à 2 GPa à 600°C. Les modules de torsion et

longitudinal passent de 11 GPa à 2 GPa.

La densité moyenne des bétons testés décroît fortement entre 20 et 200°C puis stagne jusqu’à

400°C pour décroître à nouveau de manière importante entre 400 et 600°C (cf figure 81). Pour

certains bétons, la valeur de la densité à 400°C est supérieure à celle à 200°C (courbes en

pointillé) et pour la plupart des autres bétons, les densités à ces deux températures sont très

proches. La mesure de la densité a été réalisée par le rapport simple du poids de béton sur le

volume obtenu par mesure des dimensions de la carotte de béton.



1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

2,25

2,30

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

dens

ité

moyennecourbe inférieure du fuseaucourbe supérieure du fuseau

Figure 81 : variation de la densité des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température

Influence de certains paramètres sur l’évolution de la résistance en compression des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température

Les résultats montrent une forte dispersion des résultats sur les bétons projetés ne contenant

pas de fibres.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa)

S0

S0

S0-C

S0-M

moyenne

Figure 82 : évolution de la résistance en compression des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la température



Les différents bétons pour lesquels la taille des fibres varie suivent la même tendance (mis à

part un béton) et la taille des fibres réduit très légèrement les pertes de résistance : les bétons

contenant les fibres les plus petites sont les plus résistants aux augmentations de température

(cf figure 83).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa)

S0-W1

S0-W2

S0-W2

S0-W3

S0-W4

S0-W5

S0-W7

moyenne


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

rési

stan

ce e

n co

mpr

essi

on (M

Pa)

S0-W2

S0-W2

S0-W2-F

S1-W2-60

S2-W2

S2-W2

moyenne




La fumée de silice augmente la résistance en compression à 20°C mais à 600°C la résistance

du béton adjuvanté est identique à celle des autres bétons. Un fort dosage en fibres ne s’avère

pas gênant en terme de résistance au feu des bétons jusqu’à 600°C au moins (cf figure 84).

Bétons projetés par voie sèche

Six bétons projetés par voie sèche ont subi le même traitement thermique que les bétons

projetés par voie mouillée. Les résultats obtenus sont très proches d’un béton à l’autre

(résultats de la résistance en compression un peu plus dispersés que ceux du module comme

observé pour les bétons projetés par voie mouillée).

2,15

2,20

2,25

2,30

2,35

2,40

0 100 200 300 400 500 600 700température (°C)

dens

ité

moyenne

courbe inférieure du fuseau

courbe supérieure du fuseau

Figure 85 : variation de la densité des bétons projetés par voie sèche en fonction de la température

Pour cette série de tests, la perte de la densité a suivi, pour les différents bétons testés, une

courbe régulière croissante en fonction de la température (cf figure 85).

A 20°C, les bétons avaient une résistance en compression comprise entre 75 et 85 MPa, cette

valeur décroît progressivement jusqu’à une valeur de 20 MPa à 600 °C (65 MPa en moyenne

à 200°C et 50 MPa à 400°C). Le module de flexion moyen pour l’ensemble des 6 bétons

testés passe de 41 à 3 GPa. Les deux autres composantes du module (longitudinal et de

torsion) passent de 17 à 2 GPa (cf figure 86).



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300 400 500 600 700température (°C)

rési

stan

ce (M

Pa) e

t mod

ules

(GPa

)

module de flexion

module longitudinal

module de torsion


Figure 86 : évolution caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie sèche en fonction de la température (écart dû à l’absence de valeurs à 100°C)

On peut établir le même constat que pour les bétons projetés par voie mouillée : la valeur à

100°C modifie l’allure des courbes [Baron et Sauterey, 1982] (cf figures 87 et 88).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

mod

ule

élas

tique

(GPa

)

valeurs mesurées sur les bétons projetéscourbe proposée par Baron et Sauterey

Figure 87 : évolution du module élastique des bétons projetés par voie sèche en fonction de la température



0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

Rc/

E*1

0^3



Figure 88 : évolution du rapport Rc/E des bétons projetés par voie sèche en fonction de la température

Les pertes dues à la montée de la température pour ces différentes grandeurs sont régulières

pour les quatre températures considérées et quasiment identiques d’une grandeur à l’autre. A

200°C, la perte de la résistance est un peu plus faible et on observe le même phénomène pour

le module de flexion à 600°C (cf figure 89).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500 600 700

température (°C)

pour

cent

age

de p

erte

(%

)

module de flexion

module longitudinal

module de torsion


Figure 89 : pertes des caractéristiques mécaniques des bétons projetés par voie sèche en fonction de la température



Résistance au feu des bétons projetés

Le béton projeté bénéficie d’une porosité adapté pour mieux résister aux fortes chaleurs que

les bétons coulés courants [Wetzig, 2002].

Les bétons projetés testés perdent rapidement de leurs qualités mécaniques et, à de telles

températures, la structure en béton projeté devient dangereuse. Les bétons projetés par voie

mouillée ont une résistance supérieure à 27 MPa à 200°C et ceux projetés par voie sèche une

résistance supérieure à 50MPa à 400°C.

6.7.6 Gel et dégel (cf annexe 26)

Quelques ouvrages français montrent la tenue du béton projeté aux cycles de gel-dégel. Deux

chantiers ont nécessité une étude particulière vis-à-vis de ce phénomène : le pont de la Caille

(1981) et les rochers du zoo de Vincennes (1993). L’inspection de ces ouvrages montrent que

ces bétons projetés ont une très bonne résistance au gel-dégel.

L’étude menée en pont de la Caille dans les années 80 montre que le béton projeté se

comporte d’une excellente manière (densité et propagation du son) alors que le béton initial

(béton coulé) est complètement détérioré. Il y est précisé en conclusion que le béton projeté

peut protéger l’intrados d’un tunnel ou d’un pont sous réserve de la qualité de la projection

[LRL, 1980].

Dans les pays nordiques, la résistance au gel-dégel des ouvrages est un souci permanent. Elle

y est donc largement étudiée comme c’est le cas au Canada.

Dans ce pays, l’essai principalement mené est la mesure du facteur d’espacement L qui doit

alors être inférieure à 300µm [Vézina, 2001]. Une mesure de l’écaillage peut ensuite être

effectuée pour confirmation si la mesure du facteur d’espacement est trop proche du seuil. La

valeur maximale admise est, pour ce même pays, de 1 000 g/m² pour 50 cycles de gel–dégel

conduits à –18°C sur une surface non sciée.

L’étude réalisée sur le Grand Rocher du zoo de Vincennes met en évidence que la projection

par voie sèche donne un béton beaucoup plus compact et par conséquent plus résistant aux

agents agressifs que celui projeté par voie mouillée [CEBTP, 1993]. Aussi, les essais de

gel/dégel montrent que les bétons, projetés sans agents entraîneurs d’air (AEA), sont plus

résistants par voie sèche que par voie mouillée [LERM, 1993].

Un groupe de travail s’est constitué en France (Groupe Rhône Alpes – GRA) pour étudier la

durabilité du béton soumis au gel-dégel. Le texte de recommandations édité [GRA, 1992] ne



tient pas compte de la mise en œuvre des bétons. Ces recommandations concernent la

composition des bétons et les seuils admissibles pour les essais courants (cf tableau 41).

Tableau 41 : exigences françaises en terme de résistance au gel-dégel (GRA) gel pur gel en présence de sels de déverglaçage observations

résistance en compression 30 MPa 35 MPa

facteur d’espacement L ≤ 300 µm ≤ 250 µm

allongement ∆l/l ≤ 500 µm/m 300 cycles fréquence de résonance 100*f²/f0² ≥ 60 300 cycles

écaillage ≤ 500 g/m² 50 cycles, sur surface sciée

Ces mesures ont été effectuées sur quelques bétons mis en œuvre selon les deux modes de

projection (à 6 mois pour la voie sèche et à 1 an pour la voie mouillée).

Ces bétons ont été confectionnés avec du ciment CEM I PMES, comme le conseille le GRA

(gel-dégel en présence de sels de déverglaçage).

Les résultats obtenus sont recensés dans le tableau 42 (moyenne sur 3 ou 4 valeurs).

Tableau 42 : mesures de la résistance des bétons projetés au gel-dégel

bétons facteur d’espacement L allongement fréquence de résonance écaillage Valeurs admissibles (GRA) ≤ 250 µm ≤ 500 µm/m ≥ 60 ≤ 500 g/m²

S-O 309 155 100 49,0 S-S 300 202 100 34,3 S-P 258 114 100 25,0

S-D2 293 132 100 42,5 Voie sèche

moyenne 290 151 100 37,7 S0 254 551 100 869,0

S0-W2 330 725 98 635,3 S0-W2-F 344 684 100 236,5 S0-W2-60 282 464 102 308,0

S2-W2 316 676 103 774,0

Voie mouillée

moyenne 305 620 101 564,6

Ces résultats nous permettent de conclure que :

les 4 bétons projetés par voie sèche testés ont une excellente résistance au gel-dégel et

satisfont en majorité les exigences du GRA :

rapport des fréquences de résonance égal à 100,

concentration de l’écaillage au bout de 56 cycles égal à 37,7 g/m² en moyenne avec de

faibles dispersions des valeurs,

allongement au bout de 300 cycles égal à 151 en moyenne avec des résultats peu

dispersés,

facteur d’espacement L (selon la norme ASTM C457) vaut en moyenne 290 µm, la

surface spécifique selon la norme (∝=19 mm-1) et celle ne tenant pas compte des

grosses bulles (∝=22 mm-1) ne mettent pas en évidence un réseau poreux fin (cf

annexe 21).

les bétons projetés par voie mouillée testés donnent des résultats plus contrastés :



rapport de fréquence égal à 101 ce qui est largement supérieur aux exigences du GRA

(≥ 60),

concentration de l’écaillage au bout de 56 cycles égal à 564,6 g/m² en moyenne ( cf

tableau 43) ce qui est supérieur aux seuils admissible (≤ 500 g/m²), mais on peut faire

les remarques suivantes :

les valeurs sont très variables d’un béton à l’autre et deux des cinq bétons satisfont les

exigences (S0-W2-F & S0-W2-60),

certains résultats obtenus sur une même matrice sont très dispersés (S0 & S2-W2),

Tableau 43 : écaillage (g/m²) des bétons projetés par voie mouillée bétons valeur minimale valeur maximale moyenne médiane

S0 367 2042 869,0 533 S0-W2 524 724 635,3 646

S0-W2-F 138 389 236,5 210 S0-W2-60 149 498 308,0 292

S2-W2 395 1917 774,0 892 moyenne - - 564,6 515

allongement au bout de 300 cycles égal à 620 µm/m pour un seuil maximal de 500

µm/m mais l’analyse des résultats révèle une première mesure est étonnamment élevée

par rapport aux autres valeurs. Cet écart peut s’expliquer par le gonflement des

éprouvettes lors de leur immersion dans l’eau. En théorie, ce type d’essai est réalisé à

28 jours sur des éprouvettes conservées dans une humidité relative. Ces critères n’ont

pas été respectés. En comparant avec les résultats obtenus sur les bétons projetés par

voie sèche, on peut modifier les valeurs pour compenser cette réhydratation (cf tableau

44). Les valeurs sont alors plus faibles et respectent les exigences du GRA

(213,0 < 500 µm/m),

Tableau 44 : compensation de l’allongement excessif du à la réhydratation du béton durci bétons allongement à 300 cycles allongement à 28 cycles allongement modifié à 300 cycles

S0 551 385,3 185,7 S0-W2 725 431,6 313,4

S0-W2-F 684 415,8 288,2 S0-W2-60 676 524,2 171,8

S2-W2 464 378,3 105,7 moyenne 620 427,0 213,0

facteur d’espacement L vaut en moyenne 305 µm, la surface spécifique selon la

norme (∝=23 mm-1) est nettement améliorée (∝=29 mm-1) si l’on ne tient pas compte

des grosses bulles qui peuvent être dues aux défauts de projection. Le réseau poreux

peut alors être qualifié de suffisamment fin relativement à la résistance au gel-dégel.

Les fibres semblent perturber le réseau poreux (ce qui n’est pas mis en évidence pour

les bétons projetés par voie sèche). L’emploi de fumée de silice avec un dosage de 4%

n’a pas eu d’incidence positive sur la valeur du facteur d’espacement.



Il convient donc de constater que les bétons projetés par voie sèche testés présentent une

excellente résistance au gel-dégel. La préhumidification du mélange avant introduction en

machine augmente très légèrement l’écaillage (42,5 et 49,0 g/m³ contre 25,0 et 34,3 g/m³ pour

un mélange projeté sec). Les résultats obtenus sur les 4 bétons testés sont cependant bien en-

deçà des seuils admissibles. La préhumidification n’est donc pas nuisible. Selon le critère

d’allongement, les résultats sont contrastés entre les mélanges introduits secs ou humides en

machine. Mais là encore on est bien en-deçà du seuil admissible.

Les bétons projetés par voie mouillée n’ont pas permis d’obtenir des résultats aussi nets.

Selon le critère de la fréquence de résonance, les bétons testés ont eu un excellent

comportement. En revanche, trois bétons sur cinq ont présenté des valeurs d’écaillage

nettement supérieures au seuil admissible (entre 635 et 869 g/m³). Les deux bétons satisfaisant

le critère d’écaillage du GRA sont le béton fortement dosé en fibres et celui adjuvanté de

fumée de silice. Le béton présentant le plus fort écaillage (869,0 g/m³) a été le béton ne

comportant pas de fibres. Dans le cas du gel dans l’air, on peut expliquer le rôle protecteur des

fibres par analogie avec les résultats des études sur le feu. Les fibres réduisent la profondeur

d’écaillage généré par le feu en liant les écailles au support non-endommagé ce qui représente

alors un bouclier de protection [Wetzig, 2002]. Le transfert de la température, dans le cas du

gel dans l’air, est caractérisé par des mouvements convectifs alors que le feu génère des

échanges thermiques par radiation, la protection dans la cas du gel n’est pas aussi intéressante.

L’allongement du béton soumis à un gel sévère a été modifié pour soustraire un gonflement

initial excessif imputé à la réhydratation du béton dans l’eau. Cet allongement modifié a

donné des valeurs en deçà du seuil de valeur admissible. L’emploi d’un fort dosage en fibres

ou de fumée de silice sont apparus intéressants. Le rôle des fibres n’a alors pas été

déterminant sur la valeur des résultats. La modification de la structure granulaire en faveur

des gravillons a réduit les variations dimensionnelles. Cependant toutes les valeurs

d’allongement, en retranchant le gonflement initial, respectent le critère du GRA.

Selon les seuils admissibles de tenue au feu des béton coulés préconisés par le GRA, les

bétons projetés, surtout par voie sèche, ont une bonne résistance au feu.

D’autres études [Shimizu et Ichige, 2002] montrent que des bétons projetés par voie mouillée

ont, selon la norme japonaise JIS A 1148-2001, une bonne résistance au gel-dégel :

215-350 µm de facteur d’espacement,



bonne conservation du module d’élasticité (90% pour 3 des 4 bétons et 70% pour le

béton le plus adjuvanté) après 300 cycles de gel-dégel.

Cette même étude met en évidence que :

l’emploi d’un accélérateur à dose modérée ne diminue pas la résistance des bétons au

gel-dégel,

l’augmentation de la teneur en air occlus diminue le facteur d’espacement (215 µm

contre 300) et améliore la conservation du module élastique (99% contre 90%).

Les canadiens utilisent systématiquement de la fumée de silice et des agents entraîneurs d’air,

ils obtiennent alors des bétons projetés par voie mouillée résistant au gel/dégel (moins de

150 µm de facteur d’espacement et moins 500 g/m² d’écaillage [Vézina, 2001]).

6.7.7 Alcali-réaction (cf annexe 27)

Contrairement aux bétons coulés pour lesquels de nombreuses études expérimentales ont été

réalisées [Larive, 1999], peu d’études attestent du comportement des bétons projetés

relativement à la présence d’alcalins. Les faibles teneurs en eau des bétons projetés par voie

sèche et leur micro-structure plus poreuse pourraient réduire les gonflements par rapport au

bétons coulés. Cette idée est confortée par le très bon comportement au gel-dégel des bétons

projetés par voie sèche.

En France, des recommandations [LCPC, 1994] permettent de prévenir les risques de

désordres liés à cette réaction. Le niveau de prévention à atteindre dépend de la fonction de

l’ouvrage et de son environnement climatique.

La réactivité du béton dépend de sa composition et de la réactivité des granulats (NR, PR ou

PRP). Pour un type de granulat fixé, il est possible de diminuer l’intensité des gonflements en

adaptant la formulation.

Les gonflements du béton dus à l’alcali-réaction ont été mesurés par le biais de l’essai de

performance Pr NF P 18-454 en cours de normalisation. Selon cet essai, le seuil admissible de

gonflement mesuré à 3 mois sur un béton soumis à une ambiance à 60°C et 100% d’humidité

relative est de 0,02% soit 200 µm/m.

Ces essais ont été menés sur différents bétons :

des bétons projetés confectionnés avec trois types de gravillons réactifs (PR) différents

(granulats concassés nommés RM, RT et RL),



un béton confectionné avec des granulats non réactifs (béton nommé CN) mais dont la

composition est très proche de celle des trois bétons précédents (cf figure 92),

des bétons coulés confectionnés selon les compositions des bétons avant et après

projection (d’après l’analyse granulométrique du béton en place sur le support).

Les résultats obtenus permettent de tracer les courbes ( cf figure 90).

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

durée de l'essai (mois)

allo

ngem

ent (

µm/m

)

RT-béton projeté moyenne

RT-béton coulé

RL-béton projeté moyenne

RL-béton coulé

RM-béton projeté moyenne

RM-béton coulé

Figure 90 : gonflement des bétons projetés et des bétons coulés correspondant soumis à un test d’alcali-réaction

Ces courbes montrent de forts gonflements des bétons projetés testés contenant des granulats

réactifs, allongement d’environ 1200 µm/m pour les trois bétons considérés (cf figure 90).

Les essais conduits sur des granulats PR montrent également un léger gonflement pour le

béton contenant des granulats PR (cf figure 91).

Les premières valeurs (jusqu’à deux mois) correspondent à la reprise d’eau des éprouvettes et

ne sont donc pas à prendre en compte, cela est conforme au mode opératoire de l’essai

d’expansion résiduelle [LCPC, 1997]. Les courbes peuvent donc être modifiées (cf figure 92)

pour rendre compte uniquement de la contribution des gonflements dus au phénomène

d’alcali-réaction.

bétons projetés – granulats réactifs

bétons coulés – granulats réactifs



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5

durée de l'essai (mois)

allo

ngem

ent (

µm/m

)

béton confectionné avec des granulats PR (potentiellement réactifs)

béton confectionné avec des granulats NR (non réactifs)

Figure 91 : évolution des gonflements de deux bétons contenant l’un des granulats NR, l’autre des granulats PR

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

durée (mois)

défo

rmat

ion

(µm

/m

RT-béton projeté moyenneRT-béton couléRL-béton projeté moyenneRL-béton couléRM-béton projeté moyenneRM-béton couléCN-béton projetéCN-béton coulé

Figure 92 : gonflement de bétons projetés et de bétons coulés de composition identique soumis à un test d’alcali-réaction

Les gonflements des bétons projetés testés contenant des gravillons PR sont inférieurs au seuil

admissible (au maximum 133 µm/m à 3 mois). Les bétons ne sont donc pas réactifs à

l’échéance légale. Ces faibles gonflements s’expliquent par la faible teneur en alcalins dans le

ciment utilisé avec un dosage habituel. Les bétons projetés sont faiblement gonflant à plus

long terme (moins de 500 µm/m à l’échéance de 10 mois).

bétons projetés – granulats réactifs

bétons coulés – granulats réactifs



Les bétons coulés correspondant aux compositions des bétons en place présentent également

peu de gonflement (supérieure à 60 µm/m à 3 mois). Ces gonflements sont inférieurs à ceux

des bétons projetés correspondants. Ainsi, contrairement à ce qu’on pouvait espérer, la mise

en œuvre par projection ne permet pas d’assouplir les règles de prévention.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ta m i s (m m )

Tam

isat

s (%

)

lim it e in férieure du fuseau

lim it e supérieure du fuseau

m élange à p ro jet er t héo rique CN

m élange à p ro jet er t héo rique RT

m élange à p ro jet er t héo rique RL

m élange à p ro jet er t héo rique RM

0,08

0,1

0,12

5

0,16 0,2

0,25

0,31

5

0,4

0,5

0,63 0,8 1

1,25 1,6 2 2,5

3,15 4 5 6,3 8 10

Figure 93 : courbes granulométriques des mélanges à projeter contenant des granulats réactifs

Le béton projeté réactif qui gonfle le moins est celui dont la courbe granulométrique est la

plus continue et la plus proche de la limite inférieure du fuseau normatif. C’est également

celui qui contient le plus de gros granulats (gravillons et sable grossier SS3 non réactifs).

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6

durée de l'es sai (mois)

allo

ngem

ent (

µm/m

)

RT- béton coulé sans tenir compte des pertes

RT- béton coulé en tenant compte des pertes

RL- béton coulé sans tenir compte des pertes

RL- béton coulé en tenant compte des pertes

RM- béton coulé sans tenir compte des pertes

RM- béton coulé en tenant compte des pertes

CN- béton coulé sans tenir compte des pertes

CN- béton coulé en tenant compte des pertes

Figure 94 : gonflements des bétons coulés correspondants aux bétons projetés contenant des granulats concassés

réactifs ou non en tenant compte ou non des pertes



Les bétons coulés confectionnés selon les compositions des mélanges avant et après

projection ne mettent pas en évidence l’impact des pertes et de la modification de composition

sur les résultats (cf figure 94).

6.7.8 Profondeur de carbonatation

La carbonatation est un phénomène naturel de dissolution du dioxyde de carbone de l’air dans

la solution interstitielle des bétons suivi d’une réaction acide-base avec les composés basiques

pour former des carbonates de calcium. Il en résulte une diminution de pH et une corrosion

des armature. La carbonatation est une source de dégradation des ouvrages en béton très lente

(de l’ordre de 20 à 30 ans) et nuit à leur durabilité [Villain et al, 2000].

La mesure de la profondeur de carbonatation n’a pas été réalisée sur les bétons projetés testés

lors des deux campagnes expérimentales mais des études ont été menées sur ce thème par

ailleurs. La bibliographie rend compte de trois études menées au Japon :

la profondeur de carbonatation mesurée lors de la première étude vaut quelques

millimètres : de 0,7 mm à 2,3 mm selon le dosage en accélérateur [Shimizu et Ichige,

2002].

une seconde étude testant plusieurs bétons dans des atmosphères extrêmes

(conservation dans des eaux d’égouts) donnent des valeurs supérieures : de 0 à 10 mm

[Kawahigashi et al., 2002].

Une dernière étude menée sur des bétons renforcés de fibres métalliques donnent des

profondeurs de carbonatation inférieures au millimètre [Hamada et al., 2002] après 26

semaines de traitement au dioxyde de carbone et dans une atmosphère tempérée (20°C et 65%

d’humidité).

Ces différentes valeurs restent nettement inférieures au seuil exigé de haute durabilité des

bétons (sans distinction du mode de mise en œuvre) vis-à-vis de la carbonatation : 25 mm. Il

est à préciser que ces études mentionnent des essais de carbonatation accélérée et non des

prélèvements réalisés sur des ouvrages.

La profondeur de carbonatation des bétons projetés apparaît comme faible, mais elle est

sensible au type et au dosage en accélérateur liquide. L’utilisation, il y a quelques années, de

forts dosages en silicates a généré de la carbonatation de certaines applications : quelques

centimètres de béton carbonaté au bout de 20 à 30 ans.



De nombreux ouvrages peuvent valider le bon comportement du béton projeté vis-à-vis de la

carbonatation : même au bout de 20 à 30 ans des bétons projetés ne présentent pas de

dommages et les armatures se trouvent ainsi correctement protégées sous deux centimètres de

béton projeté. Une explication à cette résistance est que le béton projeté, surtout dans le cas de

la projection par voie sèche, est recouvert d’une fine couche de laitance dont trois

caractéristiques justifient le comportement du béton projeté vis-à-vis de la carbonatation :

un pH proche de 13 et donc alcalinisant,

une forte compacité et un fort dosage en ciment (environ 800kg/m³),

conjointement une faible teneur en eau.

La carbonatation des bétons coulés traditionnels est fonction de la teneur en eau et de la

résistance des bétons [Ounoughi et al, 2000]. Les caractéristiques des bétons projetés par voie

sèche défavorisent le phénomène de carbonatation.

6.8 Conclusion : caractéristiques des bétons projetés testés

Les mélanges étudiés lors des campagnes expérimentales correspondent aux prévisions

théoriques. Les différents résultats obtenus permettent donc l’étude des paramètres de

projection et de formulation énoncés dans le chapitre précédant.

Les pertes en matériaux sont moins importants en voie mouillée (11% en moyenne) qu’en

voie sèche (31% en moyenne) en accord avec la littérature sur le sujet. Les résultats obtenus

concordent avec les données régulièrement annoncées sur les chantiers.

Les analyses de la granulométrie confirment que la projection par voie mouillée ne modifie

pas la composition du mélange malgré les pertes et que la projection par voie sèche enrichit le

béton en éléments fins au détriment des grains de taille comprise entre 2,5 et 8 mm.

Les pertes en fibres sont nettement plus importantes en voie sèche (supérieures à 50% pour la

fibre standard et pouvant atteindre 80% pour la fibre la plus fine) qu’en voie mouillée (entre 5

et 50% pour la fibre la plus grosse). Ces valeurs concordent avec celles obtenues sur

chantiers, surtout pour la projection par voie mouillée. Des cas de chantiers de projection par

voie sèche lors desquels des pertes en fibres moins importantes ont été mesurées peuvent être

cités. Cependant, certaines méthodes de mesure de ces pertes minimisent les résultats.

Les mesures des quantités de poussières émises dépassent largement les seuils admissibles

sans protection spécifique. Toutefois, il s’avère que ces poussières ne sont pas siliceuses. De



plus, les valeurs autorisées correspondent à un poste de projection continue pendant huit

heures dans un milieu confiné.

Les valeurs de pression mesurées dans les tuyaux sont bien inférieures à la pression maximale

autorisée dans les tuyaux. La projection d’un mélange fortement fibré passant difficilement

dans le conduit a permis d’évaluer la pression mise en jeu dans ce cas de figure : pression

inférieure à 50 bars. A priori, ni la dimension des fibres, ni leur dosage n’influe sur la valeur

de la pression dans les tuyaux.

Les épaisseurs couramment mises en œuvre sont de l’ordre d’une dizaine de centimètres et

dépassent rarement vingt centimètres pour limiter le fluage du béton générant des

affaissements ou les phénomènes de retrait. Pour tester l’efficacité de deux accélérateurs

utilisés pour la voie mouillée, des projections sur de grandes épaisseurs ont été réalisées et des

valeurs supérieures à 30 cm en piédroit ont été atteintes. Une projection sur chantier avec un

même accélérateur a même validé des épaisseurs encore supérieures, proches de 50 cm.

La teneur en eau des bétons en place, mesurée sur les bétons projetés par voie sèche,

uniquement, avoisinent 9% ce qui correspond à un rapport E/C en place proche de 0,39 en

accord avec les retours de chantiers et la littérature traitant de ce sujet.

La résistance en compression à 28 jours des bétons projetés par voie sèche vaut 65 MPa en

moyenne contre 42 MPa pour ceux projetés par voie mouillée. Ces grandeurs valent

respectivement 78 et 52 MPa à 1 an. Les bétons testés dans les deux campagnes sont donc de

bonne qualité, quoique de formulation courante.

A 28 jours, les valeurs de module élastique valent 36 GPa pour les bétons projetés par voie

sèche contre 22 GPa pour ceux projetés par voie mouillée.

La valeur du coefficient de Poisson des bétons coulés couramment admise est 0,2. On peut

retenir la même valeur pour les bétons projetés.

Les valeurs des résistances en traction par fendage sont légèrement supérieures aux valeurs

obtenues grâce à la formule BAEL et valent respectivement 7 MPa pour la voie sèche et

5 MPa pour la voie mouillée. L’emploi de fumée de silice et les forts dosages en fibres

augmentent la valeur de la résistance en traction.

L’énergie de poinçonnement-flexion lors de la déformation centrée (flèche de 25 mm) d’une

plaque vaut en moyenne 800-900 Joules pour les deux modes de projection. Des énergies



supérieures à 1000 J ont pu être obtenues sous certaines conditions de formulation pour des

bétons projetés par voie mouillée.

La porosité des bétons projetés testés par voie sèche est légèrement inférieure à celle des

bétons projetés par voie mouillée (16% contre 17%, les bétons coulés ayant une porosité

inférieure à 15%).

Des études menées dans différents laboratoires mentionnent la meilleure capacité du béton

projeté à résister aux fortes températures. Les bétons projetés testés au feu conservent

suffisamment de résistance après une chauffe de deux heures à 200°C mais ensuite les

performances mécaniques sont fortement réduites. Ainsi à 600°C il ne subsiste que 30% de la

résistance en compression à 20°C et 10% du module élastique, quelque soit le mode de

projection. Les bétons projetés par voie sèche ont mieux résisté à la chauffe que ceux projetés

par voie mouillée.

Les fibres métalliques ont tendance à réduire la résistance au feu des bétons par éclatement

précoce (dilatation des fibres). Les petites fibres semblent les moins dommageables et les

forts dosages en fibres ne sont pas plus destructeurs. Cependant, la présence de fibres permet

de maintenir les écailles en place, elles forment alors une paroi protectrice pour le béton

encore sain.

Les bétons projetés se sont avérés suffisamment résistants au gel-dégel, surtout les bétons

projetés par voie sèche. Les résultats sont plus contrastés pour les bétons projetés par voie

mouillée.

Les bétons projetés contenant des granulats potentiellement réactifs vis-à-vis de l’alcali-

réaction ont gonflés systématiquement, plus que la même formule coulée.

Le béton projeté, notamment par voie sèche, est favorable à la protection des armatures vis-à-

vis de la corrosion. En effet, la couche de laitance qui ferme le parement est suffisamment

alcaline et compacte pour limiter la carbonatation du béton, cette notion n’a pas été étudiée

dans notre étude expérimentale.

Chapitre 7 : Influence des différents paramètres testés sur la projection et le matériau béton projeté


« I've gone to the edge and found i could do more than just peer over - The Pelican Poems - Je suis allée au bord et je me suis rendue compte que je pouvais faire plus que juste regarder au-delà

Chapitre 7 Influence des différents paramètres sur la projection des mélanges et les performances mécaniques des bétons durcis

Le chapitre 6 justifie la réalisation des divers essais et mesures effectués lors des deux

campagnes expérimentales. Le chapitre 7 analyse les différents résultats obtenus dans leur

globalité pour donner les fourchettes de valeurs des caractéristiques pouvant être attendues

des bétons projetés par voie sèche et par voie mouillée.

Le présent chapitre analyse certains résultats plus en détail (pertes en matériaux et en fibres,

résistance en compression, module élastique et énergie absorbée) pour déterminer la manière

dont des paramètres de projection (cf § 7.2) et de formulation (cf § 7.1) influent sur la

projection et sur la qualité du matériau en place (cf § 7.4 et 7.5).

L’aptitude à la projection est ici évaluée par les pertes en matériaux et les pertes en fibres.

L’évaluation de la capacité du mélange confectionnés pour la voie sèche à passer en machine

(colmatage dans le coude de sortie de machine) n’a pu être réalisée.

7.1 Influence des paramètres de formulation sur la projection des

mélanges

7.1.1 Influence de la consistance des mélanges sur la projection (voie mouillée)

Les bétons, lors de la campagne expérimentale, ont nécessité une consistance fluide pour être

projetés (supérieure à 20 cm d’affaissement) alors que les prescriptions du fournisseur de la

machine indiquent une consistance de 11 à 13 cm d’affaissement.

Les mélanges de consistance plus ferme (affaissement au cône de l’ordre de 13 à 15 cm) ont

formé des bouchons dans le conduit de transfert. Nous avons vu (cf § 6.2.1) que la non

projection ne peut être imputable au squelette granulaire du mélange effectivement projeté :

les courbes granulaires sont proches et parfois quasiment superposables.

Les mélanges de très grande fluidité (affaissement non mesurable, étalement à la table à

secousses de plus de 70 cm) n’ont pas posé de problèmes à la projection (ni délavement du

béton, ni ségrégation). Il s’est avéré que la projection de tels mélanges n’a pas nécessité une



augmentation du dosage en accélérateur (épaisseur de béton mise en place supérieure à 10 cm

en plafond et 20 cm en piédroit).

Des études précédentes ont montrée que la mesure de la consistance par l’affaissement du

cône d’Abrams ne reflétait qu’une facette du comportement rhéologique des bétons [Kaplan,

1999]. Au Canada, Beaupré a montré que les grandeurs rhéologiques obtenues grâce au

rhéomètre (seuil de cisaillement et viscosité) caractérisent correctement les divers bétons

projetés testés. En France, Kaplan, a démontré que la connaissance des grandeurs

tribologiques permettent de prévenir la formation de bouchons lors du pompage du béton.

Tableau 45 : distribution des pertes en matériaux et en fibres mesurées lors de la projection par voie mouillée selon la consistance des mélanges

Mélanges S0

S0-W

1

S0-W

2

S0-W

3

S0-W

4

S0-W

5

S0-W

7

S0-W

2-F

S1-W

2-60

S0-C

S0-M

S2-W

2

Affaissement (cm) 21 23 24 - 21 23 - 24 - 24 25 19 Etalement (cm) 54 59 64 66 55 62 76 65 78 60 63 48

Pertes en matériaux (%) 11 11 10 10 10 11 15 9 6 6 13 14 Pertes en fibres (%) 20 8 5 5 49 28 13 13 11

Les pertes en matériaux et en fibres ne dépendent pas de la consistance du mélange (cf

annexe 12). Deux mélanges de consistance différentes (S0-W3 et S0-W4 de valeurs

d’étalement à la table à secousses respectivement égales à 66 et 55 cm dans tableau 45) ont

donné des valeurs de pertes en matériaux et en fibres identiques.

7.1.2 Influence de la granulométrie du mélange sur la projection par voie

mouillée

L’étude de ce paramètre a été réalisée au travers de deux mélanges de rapports S/G différents

(S0-W2 de rapport S/G= 1,83 et S2-W2 de rapport S/G= 1,63).

Tableau 46 : pertes en fibres et en matériaux (%) en fonction du rapport S/G de la matrice du mélange à projeter Mélange S/G Pertes en matériaux (%) Pertes en fibres (%) S0-W2 1,83 10 8 S2-W2 1,63 14 11

Les résultats obtenus confirment l’importance du squelette granulaire du mélange sur la

projection. La réduction du rapport S/G correspondant à un mélange plus fortement dosé en

gravillons génère plus de pertes en matériaux et en fibres : écart de 4 et 3 points

respectivement entre chaque béton.

Le nombre de compositions testées ne permet pas de connaître la tendance de la décroissance,

autrement dit s’il existe un minimum de pertes pour un squelette granulaire donné comme on

le trouve souvent mentionné dans la littérature.



7.1.3 Influence de la granulométrie du mélange sur la projection par voie sèche

La projection du mélange contenant une forte proportion d’éléments fins (C18-O) ainsi que

celle du mélange dont la courbe granulométrique contient une bosse au tamis 0,63 mm (C4)

n’a pas posé de problème. La durée de projection n’a pas permis de mettre en évidence

l’incidence de la composition des mélanges sur la formation des bouchons.

Pertes en matériaux (cf annexe 12)

Concernant les mélanges projetés par voie sèche, l’augmentation de la teneur en éléments fins

se traduit par une réduction des pertes en matériaux de 41 à 22%. L’augmentation de fillers

calcaires (100 µm), utilisés comme correcteur granulaire, s’est également traduite par une

réduction des pertes de 49 à 21% (cf tableau 47).

Tableau 47 : pertes en matériaux lors de la projection par voie sèche par rapport à la teneur en éléments fins (< 315 µm)

Paramètres Courbes granulométriques Teneur en fillers calcaires Mélanges C1O C2-O C3-O C4-O C0-O C1O C14-O C18-O

Teneur en éléments fins de 315 µm (%) 23,6 26,6 30,3 32,5 18,9 23,6 27,3 31,8 Pertes en matériaux (%) 40,5 31,6 24,4 21,9 49,3 40,5 26,9 20,6

Evolution du paramètre (de gauche à droite) Courbe granulométrique évoluant vers la borne supérieure du fuseau Teneur en fines augmentée

R2 = 0,964

15

20

25

30

35

40

45

50

55

17 19 21 23 25 27 29 31 33

te ne ur e n é lé m e nts de 315 µm (%)

pert

es e

n m

atér

iaux

(%)

Figure 95 : pertes en matériaux en fonction de la teneur en éléments fins des mélanges à projeter par voie sèche

L’augmentation de la teneur en fines ou en éléments fins accélère la formation du matelas de

béton et réduit les pertes (cf figure 95). Le choix de la granulométrie est très important au

regard des écarts constatés entre les différentes mesures des pertes.

dans le fuseau normalisé hors fuseau



Les valeurs obtenues, malgré la diversité des compositions testées ne met pas en évidence un

squelette granulaire optimal, c’est-à-dire celui générant le minimum de pertes (courbe des

pertes en fonction du rapport S/G en cloche inversée.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tam is (m m )

pour

cent

age

d'él

émen

ts p

assa

nt p

our

chaq

ue ta

mis

(%)

limit e inférieure

limit e supérieure

C1

C2

C3

C4

C0

C14

C18

0,2

0,31

5

0,4

0,63

1,0 1,25 2,0

2,5 4,0

6,3

100,12

5

0,08

0

Figure 96 : courbes granulométriques des mélanges à projeter par voie sèche testés par rapport au fuseau de la norme 95-102

Les mélanges sont globalement compris dans le fuseau de la norme 95-102. Les mélanges C1,

C0 et C4 s’en écartent volontairement de manière ponctuelle (cf figure 96).

Pertes en fibres

L’influence de la granulométrie sur les pertes en fibres n’a pas été étudiée pour la voie sèche.

Teneur en eau (cf annexe 16)

La teneur en eau du béton en place s’échelonne de 7,8 à 9,9 % (cf tableau 48) avec une

moyenne de 8,7% et un écart-type égal à 0 ,6% (dispersion égale à 6,9%).

Tableau 48 : teneur en eau (% d’eau par rapport à la masse sèche du béton frais) des bétons projetés par voie sèche

Evolution du paramètre (de gauche à droite) Courbe granulométrique évoluant vers la borne supérieure du fuseau Teneur en fines augmentée

Mélanges C1O

C2-

O

C3-

O

C4-

O

C0-

O

C1O

C14

-O

C18

-O

Teneur en eau (%) 8,8 8,5 8,8 8,6 8,7 8,8 7,8 8,6

Il n’y a pas d’incidence notable de la granulométrie du mélange sur la teneur en eau dans les

bétons projetés sur le support.



Courbe granulométrique du béton en place

Quatre mélanges ont été projetés de manière à conclure sur l’incidence des fines sur la

projection. Les courbes granulométriques des quatre bétons correspondant sont très proches

les unes des autres (cf figures 96 et 97) : la projection nivelle les écarts de composition des

mélanges.

Les courbes s’échelonnent en suivant l’ordre des teneurs en fines dans les mélanges initiaux.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tam is (m m )

Tam

isat

s (%

) limit e inférieure

limit e supérieure

C0-O

C1-O

C14-O

C18-O

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25

2,5 5 8 10

Figure 96 : courbes granulométriques réelles des mélanges à projeter par voie sèche dont le paramètre variant est la teneur en éléments fins

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tam is (m m )

Tam

isat

s (%

)

limite inférieure

limite supérieure

C1-O

C2-O

C3-O

C4-O

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25

2,5 5 8 10

Figure 97 : courbes granulométriques réelles des mélanges à projeter par voie sèche dont le paramètre variant est la granulométrie



Le constat est identique pour les mélanges dont le paramètre variant est la granulométrie.

Ainsi quelle que soit la composition initiale, la projection tend à imposer une même

composition en place : on soulève là une notion de composition cible. L’enrichissement en

éléments fins est donc forcément plus important pour les mélanges dont la teneur en fines

initialement est faible.

7.1.4 Influence de l’emploi de fumée de silice sur la projection par voie mouillée

La fumée de silice a été introduite avec un dosage de 15 kg/m³ (selon les préconisations du

fabricant). Elle n’a pas eu une réelle d’incidence sur la réduction des pertes en matériaux : 2

point d’écart seulement (cf tableau 49).

Tableau 49 : influence de la fumée de silice sur les pertes (%) en matériaux et en fibres lors de la projection par voie mouillée

Sans fumée de silice Avec fumée de silice Pertes en matériaux (%) Pertes en fibres (%) S0-W2 10 8

S0-W2-F 9 13

En revanche, contre toute attente, le mélange adjuvanté de fumée de silice a généré plus de

pertes en fibres (écart de 5 points : 13% pour le mélange adjuvanté contre 8% pour le mélange

de référence). Les mélanges S0-W2 et S0-W2-F ont la même consistance.

7.1.5 Influence de l’emploi de granulats concassés sur la projection par voie

mouillée

Le mélange contenant des gravillons concassés a généré moins de pertes en matériaux que le

mélange contenant des granulats roulés (6% contre 11%).

7.1.6 Influence de l’emploi de granulats concassés sur la projection par voie

sèche

Pertes en matériaux

Le mélange contenant des gravillons concassés n’a pas produit plus de pertes (cf tableau 50)

que le mélange contenant des granulats roulés (31 et 32 %).

Tableau 50 : teneur en eau (%) des bétons projetés par voie sèche selon la géométrie des granulats Mélanges contenant des granulats roulés contenant des granulats concassés

Pertes en matériaux (%) 31 32 Teneur en eau (%) 8,5 9,1



Teneur en eau

La teneur en eau du béton contenant des gravillons concassés est supérieure au même

mélange contenant des gravillons roulés (9,1% contre 8,5% soit un écart de 7,1%). Ceci peut

résulter de la présence de fines dans les granulats concassés.


L’emploi de granulats concassés génère un plus fort enrichissement en fines (cf figure 98).

Cet enrichissement peut s’expliquer par la plus grande surface spécifique des granulats

concassés par rapport aux granulats roulés.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



granulats roulés

granulats concassés

Figure 98 : courbes granulométriques réelles des mélanges à projeter par voie sèche dont le paramètre variant est la géométrie des gravillons (roulés ou concassés)

7.1.7 Influence de l’emploi de fibres sur la projection par voie mouillée


La dimension des fibres n’a pas eu d’incidence sur les pertes en matériaux (10% de pertes en

moyenne) excepté pour la fibre la plus grosse (W7 : 30*0,75 mm ; L/D = 40) pour laquelle les

pertes sont augmentées de 5 points, probablement par perturbation de l’arrangement du béton

sur le support (cf tableau 51).

Le mélange le plus fortement dosé en fibres (60 kg/m³) a généré un peu plus de pertes en

fibres (13% contre 8% pour un dosage courant) mais pas en matériaux.



Les mélanges ne contenant pas de fibres ont également généré 10% de pertes en matériaux.

L’emploi de fibres n’a pas d’incidence sur les pertes en matériaux.

Tableau 51 : pertes en matériaux et en fibres selon l’emploi, la dimension et le dosage en fibres (projection par voie mouillée)

Mélanges contenant des fibres Mélanges sans fibres Fibres de diverses dimensions, dosage : 30 kg/m³ 60 kg/m³

Mélanges S0 S0-C S0-M S0-W1 S0-W2 S0-W3 S0-W4 S0-W5 S0-W7 S1-W2-60 Pertes en matériaux (%) 11 6 13 11 10 10 10 11 15 6

Pertes en fibres (%) 20 8 5 5 49 28 13

Pertes en fibres

Les fibres de dimensions médianes (W3 et W4) ont générées les pertes en fibres les plus

basses (cf tableau 52) : 5% contre 28 et 49% pour des fibres plus grosses et 20% pour la fibre

la plus petite). Le choix de la dimension des fibres est donc important du point de vue des

pertes en fibres. Les résultats montrent qu’il est avantageux d’utiliser des fibres de dimensions

médianes : longueur égale à 30-35 mm et diamètre de l’ordre de 0,50-0,55 mm.

Tableau 52 : pertes en fibres (%), selon leurs dimensions, mesurées lors de la projection par voie mouillée de bétons fibrés

Longueur des fibres (mm) Diamètre des fibres (mm) 30 35 50 0,38 20 0,50 8 0,55 5 5 0,62 49 0,75 28

L’augmentation du dosage en fibres (60 kg/m³ au lieu de 30 kg/m³) augmente de 5 points le

pourcentage de pertes (13% contre 8%, cf tableau 51).

7.1.8 Influence de l’emploi de fibres sur la projection par voie sèche


Lors de la projection par voie sèche, les résultats montrent que l’influence des fibres sur les

pertes en matériaux est insignifiante pour les trois type de fibres testés (cf tableau 53) : écart

de 2 points entre le mélange non fibré – 23% - et le mélange contenant des fibres – 25% en

moyenne – soit un écart inférieur à 9%). Cependant ces trois fibres sont de dimensions

standards.

L’influence de la dimension est faible : la fibre de plus petite dimension génère le plus de

pertes mais les écarts sont restreints : 3 points (27% contre 24%) soit 12%.

Pertes en fibres

La valeur des pertes en fibres est, pour les trois exemples étudiés, directement liée à la

longueur spécifique des fibres : 80% de pertes pour la fibre la plus petite D1, de longueur



spécifique 80, contre 52% pour la fibre de plus grosse dimension D2, de longueur spécifique

54, et 66% pour la fibre de dimensions médianes D3 et de longueur spécifique 64 (cf tableau

53).

Ces valeurs sont très importantes et certains retour de chantiers peuvent annoncer des valeurs

de pertes moins importantes. Il faut cependant rappeler que certaines méthodes de mesure

minimisent les pertes en fibres par rapport à notre méthode de mesure.

Tableau 53 : pertes en fibres et en matériaux des mélanges contenant des fibres Fibres L/D Pertes en matériaux (%) Pertes en fibres (%) Dosage en fibres (kg/m³)

D1 80 27 80 10 D2 54 24 52 17 D3 64 25 66 24

Teneur en eau

La teneur en eau du béton en place n’a pas subi de variation du fait de la présence de fibres.

7.2 Influence des paramètres de projection sur la projection des

mélanges

7.2.1 Influence du porte-lance sur la projection

Ce paramètre n’a pas été étudié, mais il a été plusieurs fois prouvé (constat de chantier) que le

bon réglage du débit d’eau (voie sèche), de la distance lance-paroi et la gestuelle lors de la

projection influent directement sur la quantité de pertes. Or ces trois éléments sont fonction de

l’expérience de l’ouvrier.

7.2.2 Influence de la préhumidification et du prémouillage sur la projection (voie

sèche)

Les mélanges à projeter par voie sèche ne peuvent pas être caractérisés par leur consistance

mais leur état : préhumidifié ou sec, cohésif ou non.

Poussières

Les mélanges à projeter préhumidifiés avant introduction en machine sont passés en machine

sans provoquer de colmatage soit au niveau de la trémie, soit au niveau de l’introduction de

l’air comprimé dans le tuyau de transfert. Ces désagréments étaient à craindre mais il est

possible qu’ils n’aient pas eu lieu en raison des temps de projection trop courts (une quinzaine

de minutes alors que sur chantier la projection peut durer plusieurs heures) pour que le

phénomène gêne la projection.



Les mélanges pulvérulents secs (teneur en eau nulle) ont provoqué une forte émission de

poussières à la machine et à la lance, mais ils se sont correctement comportés lors du passage

en machine.


Les pertes en matériaux sont plus importantes pour les mélanges introduits secs en machine

(entre 6 et 15 points en plus sur les pertes pour les trois mélanges pour lesquels ce paramètre a

été testé ce qui correspond à un pourcentage d’augmentation compris entre 23 et 65%). La

préhumidification permet donc la réduction des pertes par rebonds, ce qui confirme les

travaux de Jolin [Jolin et al., 2000].

La lance de prémouillage (d’une longueur de 1 mètre pour un diamètre de 40 mm) a permis de

diminuer de 10% les pertes par rapport à la lance traditionnelle (réduction des pertes de 4

points).

Tableau 54 : pertes en matériaux et teneur en eau des bétons après projection par voie sèche de mélanges secs ou préhumidifiés

Type de mélange Mélange C2 Mélange C3 Mélange S

Introduction en machine préhumidifié sec préhumidifié sec préhumidifié sec sec avec lance de prémouillage

Mélanges C2-O C2-S C3-O C3-S S-O S-S S-P Teneur en eau (%) 8,5 9,3 8,8 9,9 7,9 8,7 9,6

Pertes en matériaux (%) 32 43 24 30 23 38 34

Teneur en eau

Les résultats montrent que la teneur en eau des bétons mouillés uniquement à la lance (sans

préhumidification) est supérieure (cf tableau 54) à celle des bétons préhumidifiés (la moyenne

sur les trois mélanges testés vaut 9,4% dans le cas des mélanges introduits secs en machine

contre 8,4% pour les mélanges préhumidifiés, soit un écart de 12% - cf tableau 53).

La lance de prémouillage augmente le besoin en eau des bétons (9,6% de teneur en eau dans

le béton projeté avec une lance de prémouillage contre 8,7% pour le mélange projeté avec une

lance traditionnelle, soit un écart de 10%).


Les bétons dont les mélanges n’ont pas été préhumidifiés avant la projection contiennent

systématiquement une plus forte proportion d’éléments fins (cf figure 99). Ce sont également

les projections les plus génératrices de pertes. Le matelas (consistance) n’est alors pas apte à

recevoir le mélange projeté.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange C2 préhumidifié

mélange C2 sec

mélange C3 préhumidifié

mélange C3 sec

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25

2,5 5 8 10

Figure 99 : courbes granulométriques réelles des bétons projetés par voie sèche dont le paramètre variant est l’humidification du mélange avant projection

7.2.3 Influence du débit d’air à la machine sur la projection (voie sèche)


Une réduction du débit d’air sans modification du débit en matériaux, équivalent à une

diminution de pression de 3 à 1 bars, lors de la projection par voie sèche, a généré une

augmentation des pertes en matériaux de plus de 25%. Les moyennes obtenus sur trois

projections différentes (soit trois compositions de béton) donnent les valeurs suivantes : 33%

pour la projection à faible débit d’air contre 26% dans l’autre cas (cf tableau 55).

Cette augmentation des pertes pourrait être due à une énergie de compaction et une

accélération à la lance moindres lorsque le débit d’air est plus faible.

Teneur en eau

Les teneurs en eau de ces bétons projetés sont recensées dans le tableau suivant (cf tableau

55).

Tableau 55 : pertes en matériaux et teneur en eau des bétons après projection de mélanges avec un faible débit d’air

Type de mélange Mélange C2 Mélange C3 Mélange S Débit d’air Normal (3 bars) Minimal (1 bars) Normal (3 bars) Minimal (1 bars) Normal (3 bars) Minimal (1 bars) Mélanges C2-O C2-R C3-O C3-R S-O S-R

Teneur en eau (%) 8,5 7,9 8,8 9,5 7,9 - Pertes en matériaux (%) 32 40 24 34 23 27




Les bétons projetés avec un débit d’air plus faible sont systématiquement moins enrichis en

éléments fins car les gros granulats rebondissent moins (cf figure 100). Comme les pertes sont

plus importantes dans le cas des débits faibles, cela signifie que les retombées (éléments

tombant au sol sans avoir atteint le support) concernent toutes les tranches granulaires.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



mélange C2 réglage standard

mélange C2 débit d'air faible

mélange C3 réglage standard

mélange C3 débit d'air faible

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25

2,5 5 8 10

Figure 100 : courbes granulométriques réelles des bétons projetés par voie sèche dont le paramètre variant est le réglage du débit d’air à la machine

7.3 Performances mécaniques des bétons projetés durcis

Ce paragraphe étudie l’incidence de divers paramètres de formulation et de projection sur la

résistance en compression, le module élastique et l’énergie absorbée lors de l’essai de

poinçonnement-flexion.

7.4 Influence des paramètres de formulation sur les performances

des bétons

7.4.1 Influence des paramètres de formulation et de projection sur la porosité

Les divers paramètres testés n’ont pas eu d’incidence sur la porosité : elle est comprise pour

l’ensemble des bétons entre 15% et 19% pour les bétons projetés par voie mouillée et entre

13% et 18% pour ceux projetés par voie sèche.

Ces porosités correspondent à des densités comprises entre 2,08 et 2,18 pour la voie mouillée

(soit une moyenne de 2,13 avec un écart-type de 0,03 et une dispersion de 1,4) et comprise



entre 2,20 et 2,27 pour la voie sèche (soit une moyenne de 2,24 avec un écart-type de 0,02 et

une dispersion de 0,9).

7.4.2 Influence de la consistance des bétons projetés (projection par voie

mouillée) sur les performances des bétons durcis

La consistance des bétons testés s’est avérée très variable (étalement à la table à secousses

variant de 48 à 78 cm) alors qu’en théorie, le rapport E/C des différents bétons testés a été fixé

et donc est sensé ne pas varier d’une composition à l’autre.

Ceci est conforté par des résistances constantes d’un béton à l’autre. La valeur du rapport E/C

a donc été relativement bien contrôlée.

On peut donc conclure à la non-incidence de la consistance sur les performances mécaniques

(résistance en compression, module d’Young, résistance au poinçonnement-flexion et énergie

absorbée lors d’une déformation de 25 mm) même au jeune âge 12h ou 24h.

7.4.3 Influence de la granulométrie du mélange sur les caractéristiques

mécaniques des bétons projetés par voie mouillée (cf annexe 17-18 et 20)

La modification du squelette granulaire (valeur du rapport S/G) du mélange à projeter par

voie mouillée n’a pas eu d’incidence sur la résistance en compression.

Tableau 56 : résultats de l’essai de poinçonnement-flexion sur dalles de bétons projetés par voie mouillée fibrés Mélanges Rapport S/G Résistance maximale (kN) Résistance résiduelle (kN) Energie de poinçonnement-flexion (J)

S0-W2 1,83 50 16 789 S2-W2 1,63 60 22 954

Augmentation (%) 20 30 21

En revanche, pour la résistance au poinçonnement-flexion, la diminution de ce rapport (cf

tableau 56) a permis d’augmenter :

la résistance résiduelle (charge reprise par une plaque subissant une déformation

centrée de 25 mm) des bétons fibrés (22 kN contre 16 kN soit une augmentation de

30%),

l’énergie absorbée lors de cette déformation (954 J contre 789 J soit 21%),

la résistance maximale du béton au poinçonnement-flexion (60 kN contre 50 kN soit

une augmentation de 20%).

Ce constat montre clairement l’intérêt de définir une composition adaptée.



7.4.4 Influence de la granulométrie du mélange sur les caractéristiques

mécaniques des bétons projetés par voie sèche (cf annexe 17-18 et 20)

La modification du squelette granulaire au profit des éléments fins (augmentation de la teneur

en éléments inférieurs à 315 µm) a grandement favorisé les résistances en compression

(tableau 57).

Tableau 57 : performances mécaniques des bétons selon leur teneur en éléments inférieurs à 315 µm Paramètres Courbes granulométriques Teneur en fillers calcaires Mélanges C1-O C2-O C3-O C4-O C0-O C1-O C14-O C18-O

Teneur en éléments fins de 315 µm (%) 23,6 26,6 30,3 32,5 18,9 23,6 27,3 31,8 Résistance en compression (MPa) 55 57 57 72 52 55 72 79

Module élastique (GPa) 34 37 36 32 41 34 38 35 Pertes en matériaux (%) 41 32 24 22 49 41 27 21

Le béton le moins dosé en ciment a le plus fort module (41 GPa) mais également le

pourcentage de pertes le plus important.

7.4.5 Influence de l’emploi de fines et de fillers sur les caractéristiques des

bétons projetés par voie mouillée

La fumée de silice utilisée lors de la projection par voie mouillée (dosage à 3,8% du poids de

ciment) a augmenté la résistance des bétons dès l’âge de 4 jours (40 MPa contre 32 MPa à 7

jours), mais n’a pas modifié les valeurs de module (de l’ordre de 22 GPa à 7 jours et 24 GPa à

28 jours). A 28 jours la résistance en compression des bétons adjuvantés de fumée de silice

reste légèrement supérieure (47 MPa contre 43 MPa soit un gain de moins de 10%). L’emploi

de fumée de silice dans les bétons fibrés n’a pas augmenté la valeur de la résistance maximale

lors de l’essai de poinçonnement-flexion, en revanche la résistance résiduelle est diminuée

(11 kN contre 16 kN pour le mélange de référence). De ce fait l’énergie absorbée à 25 mm de

déformation est également diminuée (611 J contre 789, soit une perte de 20%). La fumée de

silice, en augmentant la résistance à la compression du béton, augmente sa rigidité et donc le

rend moins déformable donc plus fragile.

7.4.6 Influence de l’emploi de fines et de fillers sur les caractéristiques des


L’augmentation de la teneur en fines (éléments inférieurs à 315 µm) lors de la projection par

voie sèche (ajout de fillers calcaires inertes) a augmenté la résistance en compression (de

55 MPa à 72 et 78 MPa, cf tableau 57) sans action sur le module (valeurs variables de 34 à

38 GPa sans relation avec la teneur en fines).



La diminution de la teneur en ciment théorique (béton C0) n’a pas eu une réelle incidence sur

la résistance en compression du béton (52 MPa pour C0 contre 55 MPa pour C1, soit un écart

de 5%) mais a augmenté la valeur du module (41 GPa pour C0 contre 34 GPa pour C1). La

première remarque confirme que la projection par voie sèche rééquilibre, par le biais des

pertes, le dosage en ciment en place.

7.4.7 Influence de l’emploi de granulats concassés sur les caractéristiques des

bétons projetés par voie mouillée (cf annexes 17 et 18)

L’emploi de granulats concassés n’a pas modifié les valeurs de résistance en compression des

bétons projetés par voie mouillée (39 et 41 MPa, soit un écart inférieur à 5%) et a peu modifié

le module (19,6 GPa contre 21,5 GPa avec des granulats roulés, soit un écart proche de 9%

donc comparable à la dispersion propre aux valeurs d’un même béton).

7.4.8 Influence de l’emploi de granulats concassés sur les caractéristiques des

bétons projetés par voie sèche (cf annexes 17 et 18)

Les courbes granulométriques (avant projection) des bétons permettant l’étude de ce

paramètre sont très proches. Le béton contenant des gravillons concassés a une résistance en

compression plus importante (79 MPa contre 57 MPa pour le béton contenant des granulats

roulés). Il n’a pas eu d’incidence sur le module (38 GPa pour le béton contenant des granulats

concassés contre 37 GPa).

7.4.9 Influence de l’emploi de fibres sur les caractéristiques mécaniques des


L’étude de la voie mouillée a inclus plusieurs fibres (6 fibres testées de dimensions

différentes). Les résistances en compression des bétons fibrés sont comprises entre 36 à

44 MPa et celles des bétons non fibrés valent 41 MPa pour le béton non renforcé de fibres),

l’emploi de fibres ne modifient donc pas la résistance en compression. On eut faire le même

constat pour les valeurs de modules (cf tableau 58).

Tableau 58 : Modules d’Young (GPa) des bétons fibrés projetés par voie mouillée en fonction de la dimension des fibres

Longueur des fibres (mm) Diamètre (mm) 30 35 50 0,38 20,4 0,50 24,4 0,55 24,6 23,2 0,62 20,2 0,75 19,5

L’essai de poinçonnement-flexion (cf tableau 59) met en évidence les tendances suivantes :



l’augmentation du diamètre diminue la résistance maximale et résiduelle et donc

l’énergie (pertes respectives de 29, 54 et 47% lorsque le diamètre passe de 0,38 à

0,55 mm),

l’augmentation de la longueur augmente ces grandeurs (gain de 17, 69 et 37%).

Tableau 59 : énergie absorbée (J), résistances en flexion (kN) maximale et résiduelle des bétons fibrés projetés par voie mouillée en fonction de la dimension des fibres

Longueur des fibres (mm) Diamètre (mm) 30 35 50 0,38 1201 – 68,4 – 29,6 0,50 789 – 49,8 – 15,9 0,55 639 – 48,0 – 13,7 938 – 56,2 – 23,2 0,62 862 – 49,2 – 27,7

Le choix de la dimension des fibres est donc important vis-à-vis du poinçonnement-flexion.

Le béton contenant un fort dosage en fibres a une résistance améliorée au jeune âge (à

7 jours : 22 MPa contre 19 MPa pour le béton contenant un dosage courant en fibres de

mêmes dimensions, soit un gain de plus de 15%) et un module légèrement réduit (21 contre

24 GPa soit 12% de moins).

Tableau 60 : résultats de l’essai de poinçonnement-flexion sur dalles de bétons projetés par voie mouillée fibrés avec deux dosages différents ou non

Energie absorbée (J) à 25 mm Résistance maximale (kN) Résistance résiduelle (kN) Béton contenant 60 kg/m³ de fibres initialement 1075 77 16,8 Béton contenant 30 kg/m³ de fibres initialement 789 50 15,9

Béton ne contenant pas de fibres 228 39 2,7

L’augmentation du dosage en fibres augmente la résistance maximale du béton (gain de 50%)

sans modification de la résistance résiduelle (écart inférieur à 6%). L’énergie absorbée est

donc augmentée de plus de 35% (cf tableau 60).

7.4.10 Influence de l’emploi de fibres sur les caractéristiques mécaniques des

bétons projetés par voie sèche

Les fibres testées lors de la projection par voie sèche (cf tableau 61 et 62) sont trop peu

nombreuses (3) et ont des dimensions trop proches pour confirmer la tendance (concernant la

résistance en compression et le module) mise en évidence par les résultats de la voie mouillée.

Tableau 61 : résistance en compression (MPa) des bétons fibrés projetés par voie sèche en fonction de la dimension des fibres

Longueur des fibres (mm) Diamètre (mm) 30 35 0,38 64,5 sur 6 mesures 0,55 60,5 sur 12 mesures 65,1 sur 6 mesures

Tableau 62 : module (GPa) des bétons fibrés projetés par voie sèche en fonction de la dimension des fibres Longueur des fibres (mm) Diamètre (mm) 30 35

0,38 32,7 sur 6 mesures 0,55 36,3 sur 12 mesures 44,2 sur 6 mesures



La résistance maximale (cf tableau 63) est supérieure pour le béton contenant le plus de

fibres, en revanche la résistance résiduelle est meilleure pour la fibre la plus petite (gain de

30%) ce qui se répercute sur l’énergie absorbée à 25 mm (gain de 11%).

Tableau 63 : énergie absorbée (J), résistances en flexion (kN) maximale et résiduelle des bétons fibrés projetés par voie sèche en fonction de la dimension des fibres et dosage des fibres en place (kg/m³)

Longueur des fibres (mm) Diamètre (mm) 30 35 0,38 874 – 58,2 – 16,5 – 10 0,55 786 – 64,4 – 12,9 – 24 783 – 59,1 – 12,7 – 17

Les énergies absorbées par les trois bétons sont proches. Pourtant la fibre la plus performante

(874 J contre 783/786 J), qui s’avère être la plus petite, est celle qui a généré le plus de pertes

en fibres (80% soit 10 kg/m³ de fibres en place). Ce résultat laisse supposer d’excellentes

performances avec un dosage plus important.

7.5 Influence des paramètres de projection sur les performances

mécaniques des bétons

7.5.1 Reproductibilité des valeurs (projection par voie mouillée)

Influence de la projection

Un mélange a été projeté, à deux reprises dans des conditions de projection identiques. Les

résultats mécaniques obtenus (résistance en compression et module élastique) sont identiques

pour la résistance en compression (cf tableau 64) mais les écarts sont assez importants pour le

module élastique (14 %).

Tableau 64 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de deux bétons obtenus par la projection d’un même mélange dans les mêmes conditions de projection

Rc (MPa) E (GPa) moyenne écart-type dispersion (%) moyenne écart-type dispersion (%)

Première projection 41,0 3,2 7,7 23,5 2,0 8,5 Seconde projection 41,0 1,4 3,4 20,5 4,3 21,0

Ecart (%) 0 14

Cet écart sur le module élastique étant du même ordre de grandeur que la dispersion propre

pour une même projection (8,5 et 21%), on ne peut tenir compte de l’écart entre les deux

projections. La projection est donc reproductible et les différentes valeurs obtenues lors de la

campagne représentatives.

Influence de la fabrication

Une même composition a été fabriquée à plusieurs reprises de manière à évaluer la

reproductibilité de la fabrication. La consistance des mélanges confectionnés est variable mais



il a été montré dans un chapitre précédent (cf § 6.2.1) que ces variations n’influaient pas sur

les résultats.

Tableau 65 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques (Rc et E) de quelques bétons obtenus par la projection de mélanges de même composition dans des conditions de projection identiques

béton sans fibres Rc (MPa) E (GPa)

consistance (étalement en cm)

moyenne écart-type dispersion (%) moyenne écart-type dispersion (%) mélange 1 54 39,7 1,3 3,3 23,1 1,6 6,9 mélange 2 63 40,0 2,7 6,8 23,1 3,7 16,0 mélange 3 65 42,6 2,7 6,3 22,7 3,7 16,3 mélange 4 71 38,6 0,7 1,8 25,2 0,4 1,6 écart (%) 9,9 10,6

bétons avec fibres Rc (MPa) E (GPa)

consistance (étalement en cm)

moyenne écart-type dispersion (%) moyenne écart-type dispersion (%) mélange 1 64 38,7 3,5 9,0 23,0 1,5 6,5 mélange 2 67 39,5 4,6 11,6 22,0 2,2 10,0 écart (%) 2,0 4,4

Les résultats obtenus (cf tableau 65) sur le béton contenant des fibres sont très proches (écarts

inférieurs à 5%) aussi bien sur les résistances que sur les modules. Pour les bétons ne

contenant pas de fibres, les écarts à la moyenne sont un peu plus importants, mais restent

inférieurs à 10%, ils sont :

légèrement supérieurs à la dispersion propre de la résistance en compression moyenne

de chaque béton,

du même ordre de grandeur que la dispersion propre du module moyen de chaque

béton.

Les plages de valeurs des résistances en compression des différents bétons comparés se

recouvrent. On peut donc estimer que la fabrication n’a pas d’incidence sur les résultats

mécaniques étudiés.

7.5.2 Influence de l’ouvrier de projection (projection par voie mouillée) sur les

caractéristiques des bétons durcis

Quelques mélanges (contenant ou non des fibres) ont été projetés par deux ou trois personnes

différentes. Ces personnes sont qualifiées pour ce type de travail (projection par voie

mouillée).



Les résultats obtenus (cf tableau 66) sur les bétons ne contenant pas de fibres ne laissent pas

apparaître de différences : écarts compris entre 1 et 7% sur les résistances (moyenne : 3,3%)

et entre 2 et 8% sur les modules élastiques (moyenne : 6%).

Tableau 66 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de bétons obtenus par la projection de mélanges non fibrés par trois projeteurs différents

M : moyenne ; E : écart-type ; D : dispersion (%)

Les écarts obtenus sur les bétons contenant des fibres sont plus importants (cf tableau 66) :

11% et 14% pour les résistances et 15 et 19% pour les modules.

Tableau 67 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de bétons obtenus par la projection de mélanges fibrés par trois projeteurs différents


Les dispersions propres sont parfois importantes, de l’ordre de l’écart de valeurs pour les

différents projeteurs et elles se cumulent avec la reproductibilité des valeurs pour un même

projeteur (cf § 7.2.1). cela permet de relativiser les écarts : l’influence du projeteur est peu

importante lors de la projection par voie mouillée. Pour la voie sèche, ce paramètre n’a pas été

testé mais la littérature le mentionne comme très important.

7.5.3 Influence du fluidifiant (projection par voie mouillée) sur les


Deux fluidifiants de marque Sika ont été testés (cf tableau 68 et annexe 1) : le Viscocrete 310

(V310) et le Viscocrete 2 (V2). Les bétons adjuvantés de V310 sont nettement moins

résistants (écart de 16%) que ceux contenant du V2. Les valeurs de module élastique sont

comparables (écart inférieur à 2%).

mélange 1 mélange 2 Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) M E D M E D M E D M E D

Projeteur A 34,9 2,3 6,6 24,1 3 12,4 41,0 1,4 3,4 20,5 4,3 21,1 Projeteur B 35,4 5,3 14,9 22,9 1 4,37 37,3 2,7 7,2 22,3 1,1 4,9 Projeteur C 36,1 0,4 1,11 23,4 3,8 16,2 - - - - - - Ecart (%) 3,4 5,1 6,9 8,4


Projeteur A - - - - - - 39,1 1,0 2,6 25,0 3,2 12,8 Projeteur B 42,7 0,5 1,2 25,3 0,4 1,6 38,2 0,2 0,5 25,5 0,8 3,1 Projeteur C 43,0 2,9 6,7 27,1 2,3 8,5 - - - - - - Ecart (%) 0,7 6,9 2,3 2,0


Projeteur A 42,8 2,9 6,8 24,4 3,5 14,3 37,0 0,6 1,6 19,9 3,1 15,6 Projeteur B 37,2 1,9 5,1 21,0 2,0 9,5 37,5 2,6 6,9 24,0 0,4 1,7 Projeteur C - - - - - - 41,1 0,6 1,5 22,4 1,3 5,8 Ecart (%) 14,0 15,0 10,6 18,6



De plus le V2 apporte une plus longue stabilité de la rhéologie dans le temps.

Les dispersions plus importantes sur les bétons adjuvantés de V2 sont justifiées par les

différents paramètres testés (les moyennes obtenues résultant de divers bétons dont les

paramètres de projection ont varié).

Tableau 68 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques (Rc et E) de bétons obtenus par la projection de mélanges dont le paramètre de formulation variant est le fluidifiant


Viscocrete 310 (V310) 34,9 1,8 5,1 23,0 1,2 5,4 Viscocrete 2 (V2) 41,4 2,8 6,8 23,3 3,2 12,1

Le choix du fluidifiant est important du fait de son incidence sur les résistances mécaniques,

ce type de produit nécessite également une attention particulière concernant la compatibilité

avec les autres constituants du béton.

7.5.4 Influence du type et du dosage en accélérateur (projection par voie

mouillée) sur les caractéristiques des bétons durcis

Deux produits Sika dépourvus d’alcalins ont été testés : le Sika 40 AF, le plus courant des

produits sans alcalins distribués par Sika, et le Sika 53 AF, produit plus performant que le

Sika 40 AF et contenant moins d’eau (cf tableau 69).

Tableau 69 : Apport en eau dû aux agents raidisseurs ajoutés à la lance lors de la projection Béton après projection, quantité d’eau apporté par le raidisseur et rapport E/C obtenu selon le raidisseur et

le dosage utilisé Mélange avant projection initiale 10% de 40 AF 8% de 40 AF 6% de 53 AF

Eau (L) Ciment (kg) E/C Eau apportée en L E/C Eau apportée en L E/C Eau apportée en L E/C 160 400 0,400 400*10%*60% = 24 0,460 400*8%*60% = 19,2 0,448 400*6%*47% = 10,3 0,426

L’apport en eau dû au raidisseur selon son dosage et son type a une grande importance sur la

valeur du rapport E/C : variation du rapport de 0,43 à 0,46.

Le dosage préconisé par le fournisseur est compris entre 3 et 8% du poids de ciment pour les

deux produits. Le fournisseur nous a conseillé de choisir un dosage en Sika 40 AF légèrement

plus élevé du fait de la grande fluidité des bétons, un dosage de 10% a été gardé pendant toute

la campagne.

Ni la résistance en compression, ni le module n’ont été modifiés lorsque, pour les deux

accélérateurs testés, le dosage a été modifié (tableaux 70 et 71). Les dosages testés restaient

relativement proches, dans la fourchette de valeurs préconisées par le fabriquant.

Quelque soit le produit utilisé (Sika 40 AF ou Sika 53 AF), il semble que l’incidence sur le

module (tableaux 70 et 71) soit la même (une seule projection permettant la comparaison).



En revanche la résistance en compression des bétons accélérés avec le Sika 53 AF s’est avérée

la moins élevée (en moyenne 34,6 MPa contre 40,9 MPa pour le béton accéléré avec du Sika

40 AF).

Ce constat doit cependant être relativisé :

pour les mélanges 1 et 2, par le fait que deux autres paramètres variant réduisent la

résistance : le Viscocrete 310 et un débit de béton égal à 5,8 m³/h au lieu de 4,5 m³/h,

pour le mélange 4 par le fait que la valeur obtenue pour le béton accéléré avec le

Sika 40AF est particulièrement élevée et n’est pas représentative de l’ensemble des

résultats (48 MPa contre 41 MPa en moyenne pour les autres bétons testés – cf

tableau 69).

Tableau 70 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de quatre bétons ne contenant pas de fibres adjuvantés avec deux types d’accélérateur et deux dosages différents


Tableau 71 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de deux bétons contenant des fibres adjuvantés avec deux dosages différents

On ne peut rien conclure définitivement sur l’incidence réelle du choix de l’adjuvant.

Cependant, le produit le plus performant selon le fournisseur est également le plus cher et il

n’est utilisé que pour des chantiers de projection pour lesquels les critères d’épaisseur projetée

ou de tenue en plafond sont supérieurs aux valeurs usuelles. Le choix du produit ne se fait

donc pas sur des critères de performances mécaniques mais de mise en œuvre.

En revanche, certains chantiers utilisent encore des accélérateurs contenant des alcalins

(silicates ou aluminates), produits fortement déconseillés en France du fait de leur haute

toxicité pour les personnes et l’environnement. Malheureusement ces produits sont encore

commercialisés et utilisés, ce sont les moins chers du marché. Il doit être pris en compte que

certains de ces produits génèrent des pertes de résistances à très longue échéance (90 jours à

1 an).

mélange 1 mélange 2 mélange 3 mélange 4 Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) M E D M E D M E D M E D M E D M E D M E D M E D

53 AF- 6% 35 2 7 24 3 12 33 4 13 21 5 25 - - - - - - 41 10 24 20 2 9 53 AF- 8% 37 1 1 23 1 5 33 4 11 24 1 5 - - - - - - - - - - - - 40 AF- 8% - - - - - - - - - - - - 41 3 8 24 1 5 48 2 3 25 1 4

40 AF- 10% - - - - - - - - - - - - 41 3 8 24 2 9 - - - - - -


40 AF- 8% 43 1 2 25 2 8 40 AF- 10% 37 1 2 20 3 16



7.5.5 Influence du débit de béton à la machine (par voie mouillée) sur les


Certains mélanges ont été projetés par voie mouillée avec deux débits différents. Ces débits ne

dépassent pas 6m³/h pour permettre une projection manuelle (non utilisation d’un robot de

projection) mais sont suffisants pour garantir une bonne tenue au support. Les deux débits

testés sont 4,5 et 5,8 m³/h.

Tableau 72 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques (Rc et E) de bétons obtenus par la projection de mélanges avec deux débits différents


La résistance en compression des bétons projetés (cf tableau 72) avec le plus fort débit est

systématiquement inférieure à celle du béton projeté avec un débit de 4,5m³/h. L’écart est

cependant assez restreint (entre 1,2 et 11,6%) compte tenu des dispersions propres de l’essai

sur une seule projection (environ 10%). Cet écart peut s’expliquer par le fait que les forts

débits peuvent provoquer des défauts dans la structure interne du béton.

La modification du débit de la machine ne semble pas avoir d’incidence sur la valeur du

module (écart de 13% pour une composition sur trois, les deux autres ayant des écarts

inférieurs à 3%).

7.5.6 Influence du débit d’air à la machine (projection par voie sèche) sur les

caractéristiques des bétons durcis projetés

Les résultats montrent que la variation du débit d’air affecte la résistance en compression des

bétons mais pas la valeur du module élastique. Cependant les écarts, qui peuvent s’avérer très

importants (une valeur à 30%), n’avantagent pas systématiquement les mêmes conditions de

projection. On ne peut pas vraiment conclure sur l’incidence de la variation de ce paramètre

sur les résistances en compression (cf tableau 73).

La valeur de 75 MPa obtenue pour un mélange projeté avec un faible débit d’air est, malgré la

faible dispersion, très élevée par rapport à l’ensemble des valeurs, auquel cas la réduction du

débit d’air a plutôt tendance à réduire la résistance en compression sans modifier le module.

mélange 1 mélange 2 mélange 3 Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) Rc (MPa) E (GPa) M E D M E D M E D M E D M E D M E D

4,5 m³/h 34,9 2,3 6,6 24,1 3,0 12,4 41,0 1,4 3,4 20,5 4,3 21,0 37,0 0,6 1,6 19,9 3,1 15,6 5,8 m³/h 32,6 4,1 12,6 24,0 1,3 5,4 40,5 4,5 11,1 17,8 4,6 25,8 32,7 2,0 6,1 19,4 2,8 14,4 écart (%) 6,6 0,4 1,2 13,2 11,6 2,5



Tableau 73 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de bétons obtenus par la projection de mélanges avec deux débits d’air différents : un standard et un autre réduit au minimum possible


7.5.7 Influence de la préhumidification et du prémouillage (projection par voie

sèche) sur les caractéristiques des bétons durcis projetés

Sur les trois exemples cités, il n’apparaît pas de différence de résistance en compression entre

le béton projeté sec sans lance de prémouillage et le béton préhumidifié avant introduction en

machine (au maximum : 7% d’écart). Le constat est identique pour les modules (cf tableau

74).

Tableau 74 : comparaison des moyennes des caractéristiques mécaniques de bétons obtenus par la projection de mélanges préhumidifiés ou projetés secs avec ou sans lance de prémouillage


Le seul exemple qui nous permette de statuer sur l’intérêt de la lance de prémouillage est

avantageux : pas d’incidence sur les valeurs de modules en revanche un gain 14% sur la

résistance en compression (supérieur à la dispersion propre évaluée sur douze mesures).

7.6 Module des bétons projetés et dimensionnement d’ouvrages

7.6.1 Valeurs mesurés

Les modules des bétons projetés testés s’échelonnent entre :

19,5 GPa à 24,9 GPa pour les bétons projetés par voie mouillée avec une moyenne

égale à 22,4 Mpa (cf figure 106),

30,7 GPa et 44,2 GPa pour les bétons projetés par voie sèche avec une moyenne

égale à 35,9 MPa.

mélange 1 mélange 2 mélange 3 Rc E Rc E Rc E M E D M E D M E D M E D M E D M E D

Débit standard (pression de 3 bars) 57,0 11,6 20,4 36,9 3,6 9,7 57,0 11,4 19,8 35,5 1,1 3 68,6 6,7 9,8 35,8 8,7 24,3

Débit minimal (pression de 1 bar) 75,0 2,3 3 35,5 6,5 1,4 53,0 6,4 12,1 36,5 1,6 4,4 60,1 4,0 6,7 35,4 0,8 2,2

Ecart (%) 31,6 3,8 7,0 2,8 12,4 1,1

mélange 1 mélange 2 mélange 3 Rc E Rc E Rc E M E D M E D M E D M E D M E D M E D

Préhumidifié (1) 69,0 6,7 9,8 35,8 8,7 24,3 57,0 11,6 20,4 36,9 3,6 9,7 57,4 11,4 19,8 35,5 1,1 3,0 Sec (2) 70,0 6,6 9,3 36,2 4,6 12,7 61,0 6,8 10,2 36,4 3,9 10,7 58,2 3,2 5,5 33 3,5 10,5

Prémouillé (3) 79,8 3,4 9,8 34,7 5,1 6,4 - - - - - - - - - - - - Ecart (%) préhum (2/1) 1,4 1,1 7,0 1,4 1,4 7,0

Ecart (%) prém (3/2) 14,0 4,1



La connaissance de l’évolution dans le temps du module est limitée par la méthode d’essai

non adaptée pour les bétons au jeune âge : le carottage sous eau endommage trop le corps

d’épreuve avec des répercussion sur la mesure. Pour les bétons projetés par voie mouillée, la

valeur mesurée n’est fiable qu’à partir de 24h (pour les bétons projetés par voie sèche, la

première échéance de mesure donnant une valeur fiable est 7 jours).

évolution du module élastique des bétons projetés par voie mouillée

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400


mod

ule

élas

tique

(GPa

)

S0 S0-moyenne

S0-W2 S0-W2-moyenne



S2-W2 S2-W2-moyenne

Figure 101 : évolution dans le temps du module élastique des bétons projetés par voie mouillée

L’expression du module élastique en fonction de la résistance en compression à 28 jours (cf

figure 101), pour les bétons projetés par voie mouillée, ne met pas en évidence une relation

simple entre ces deux grandeurs.

7.6.2 Dimensionnement : valeurs prise en compte

Dans la pratique, le dimensionnement ne tient pas compte des valeurs réelles du module

élastique des bétons projetés.

Les calculs liés aux réparations d’ouvrages d’art prennent en compte un coefficient de Poisson

égal à 0,2 (valeur empruntée au béton coulé). Une entreprise spécialisée dans les travaux de

réparation par béton projeté utilisent, dans le calcul de dimensionnement, un module élastique

égal à 37 GPa [Maguet, communication orale].



Les méthodes de dimensionnement des revêtements provisoires (béton de type 3 : anneau de

structure selon définition de l’AFTES [AFTES, 2000]) de tunnels (convergence-confinement

et éléments finis) prennent en compte des caractéristiques du béton projeté (résistance en

compression, module élastique, coefficient de Poisson) faisant référence aux

recommandations du GT20 de l’AFTES [Saïtta, 2002].

La valeur de la résistance en compression prise en compte vaut entre 15 et 25 MPa, alors que

la véritable résistance mesurée sur les bétons projetés dépasse 35 MPa. La valeur du

coefficient de Poisson prise en compte est empruntée aux bétons coulés. Les résultats des

campagnes proposent des valeurs 10% plus élevées (de l’ordre de 0,22 au lieu de 0,20). Le

module élastique préconisé par le GT20 [AFTES, 2000] est un module différé qui vaut 7 000

et 10 000 GPa. Ce module différé, proposé par Pottlër [Pottlër, 1990], tient compte de

l’évolution des caractéristiques du béton et du chargement progressif imposé par le terrain.

10

15

20

25

30

35

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60ré s is tance e n com pre s s ion (M Pa)

mod

ule

élas

tique

(GPa

)

E à 1 j

E à 7 j

E à 28 j

E à 90 j

E à 365 j

Figure 102 : module élastique des bétons projetés par voie mouillée en fonction de la résistance en compression

7.7 Conclusion : Influence des paramètres testés sur la projection

des mélanges et les performances mécaniques des bétons

Le chapitre 4 donne des fourchettes de valeurs pouvant être attendues pour chaque

caractéristique considérée et pour les deux modes de projection. On étudie maintenant



l’incidence des paramètres testés sur certaines grandeurs (pertes en matériaux et en fibres,

résistance en compression, module d’Young et énergie de poinçonnement-flexion).

La formation des pertes en matériaux est liée à la composition du mélange et il a été confirmé

qu’une augmentation du sable réduit les pertes. Cette réduction est faible pour la voie

mouillée (réduction de 14 à 11%) mais est primordiale en voie sèche (de 50 à 20%). Les

compositions testées n’ont pas permis de mettre en évidence un optimum de la structure

granulaire vis-à-vis des pertes. En effet il apparaît dans la littérature qu’il existe un squelette

granulaire optimal vis-à-vis de l’écoulement (pour les bétons coulés). En-deça de cet optimum

le sable est en excès générateur de frottement important, au-delà de cet optimum c’est les

graviers qui sont alors en excès, il n’y a alors pas assez de sable pour assurer le roulement des

grains par rapport aux autres, cet optimum correspond alors au mélange le plus compact

(selon la théorie de Baron-Lesage). Les résultats de chantiers tendent à montrer que

l’influence de la compacité granulaire est comparable sur la projection réductrice de pertes en

matériaux.

Pour les deux modes de projection, ni l’emploi de granulats concassés, ni l’augmentation du

dosage en fibres (uniquement voie mouillée), ni la dimension des fibres n’a eu une incidence

notable sur les pertes en matériaux. Pour la voie sèche, un bon réglage de l’air et la

préhumidification réduisent les pertes de manière significative (de 37 à 26%).

La teneur en eau du mélange est réglée à la lance par l’ouvrier chargé de la projection. Il s’est

avéré que les bétons projetés sans une humidification préalable ont une teneur en eau en place

légèrement plus importante (9,3 au lieu de 8,4%), avec ou sans lance de prémouillage. La

préhumidification génère donc un réseau hydrique qui favorise le mouillage à la lance et

réduit, de ce fait, les besoins en eau. La préhumidification permet également de réduire les

poussières à la lance et à la machine.

Les pertes en fibres projetées par voie sèche se sont avérées très importantes (3 fibres testées

et des pertes comprises entre 50% et 80%). Des valeurs moins importantes sont parfois

mesurées sur chantier mais peuvent correspondre à une méthode de mesure minimisant les

pertes. Elles sont moins importantes pour la voie mouillée (entre 5 et 49%), mais sont très

liées à la dimension des fibres (les fibres les plus grosses et les plus fines génèrent le plus de

pertes) et au dosage (pertes en fibres un peu plus importantes : augmentation de 8 à 13%

lorsque le dosage double). Les fibres générant le moins de pertes sont des fibres de

dimensions médianes ; ce sont également celles qui sont le plus commercialisées dans le

domaine de la projection.



La résistance en compression des bétons projetés par voie sèche est grandement dépendante

de la granulométrie (action sur la proportion des sables ou ajout de fillers) et notamment la

teneur en éléments fins (éléments inférieurs à 350 µm). On n’observe aucune incidence de ce

paramètre sur les bétons projetés par voie mouillée mais peut-être que, pour ce mode de

projection, la modification du rapport S/G n’est pas assez importante. Les granulats concassés

n’ont pas diminué la résistance des bétons projetés par voie mouillée et ont même augmenté

celles des bétons projetés par voie sèche. Le choix des fibres influe légèrement sur la

résistance en compression.

Les valeurs du module élastique sont très dispersées et la majorité des variations ne sont pas

imputables aux paramètres testés excepté à la dimension des fibres.

La ductilité des bétons dépend du choix des fibres et certaines peuvent conférer au béton une

grande déformabilité. Des énergies absorbées proches de 1 000 J peuvent être obtenues en

adaptant le squelette granulaire de la matrice du béton, le choix des fibres et leur dosage.

Chapitre 8 : Optimisation des bétons projetés


« Il ne faut pas trop s’écouter sinon on ne ferait rien, tout de même il faut faire attention pour ne pas faire n’importe quoi ! » Proverbe breton, conseil de P’tit J’Yves

« … le funambule ne va pas sur son fil s'il ne le sent pas solide..., mais s'il n'y va jamais, il n'est pas funambule... »

« Marin qui écoute trop la météo passe sa vie au bistro » Proverbe breton

Chapitre 8 Optimisation des bétons projetés Les deux chapitres précédents présentent les différents résultats obtenus lors des deux

campagnes expérimentales de projection de béton. Ces deux chapitres :

permettent l’obtention de fourchettes de valeurs que l’on peut attendre du béton

projeté (cf chapitre 6), pour les différentes grandeurs mesurées et pour les deux modes

de projection,

mettent en évidence les paramètres influant sur la projection des bétons et sur certaines

caractéristiques des bétons projetés (cf chapitre 7).

Le présent chapitre propose d’exploiter ces différents résultats dans le but de proposer une

optimisation de la formulation, d’après les mélanges testés, des bétons projetés, par voie sèche

(cf § 8.1, 8.2 et 8.3) et par voie mouillée (cf § 8.6, 8.7 et 8.8) ainsi que d’orienter le choix des

fibres métalliques (cf § 8.9). Pour les mélanges à projeter par voie sèche, l’importance de la

structure granulaire (cf § 8.4) et de la teneur en eau (cf § 8.5) est développée.

Cette analyse est basée sur la définition de critères de projectabilité des mélanges (formulation

et mise en œuvre) et des performances. Les seuils fixés varient avec le mode de projection.

L’optimisation proposée dans ce chapitre se limite :

aux bétons testés, sans extrapolation sur la base des paramètres étudiés et des bétons

obtenus,

aux constituants utilisés (cf annexe 1).

Ce travail constitue la base d’un thème de recherche qui nécessiterait de nombreuses

projections complémentaires.

8.1 Optimisation d’un béton projeté par voie sèche (cf annexe 32)

selon des critères de formulation et de mise en oeuvre

Une analyse des différents résultats obtenus a été menée pour cibler les bétons répondant le

mieux aux attentes. Parmi les différentes grandeurs évaluées sur les bétons des campagnes, un

choix s’est imposé pour ne prendre en compte que les principales grandeurs ainsi que leurs

valeurs seuil. Ces critères sont les suivants :



les pertes en matériaux lors de la projection en piédroit avec un seuil maximal à 30%,

les pertes en fibres avec un seuil maximal de 50%,

la résistance en compression avec un seuil minimal à 40 MPa,

la dispersion pour la résistance en compression et le module élastique E avec un seuil

maximal de 15%,

l’énergie de poinçonnement-flexion .

8.1.1 Pertes en matériaux

On peut estimer que des pertes en matériaux lors de la projection par voie sèche supérieures à

30% sur piédroit (parement vertical, plan et rigide) et supérieures à 50% en voûte sont

anormales. Elles révèlent :

un défaut de compétence de la part du porte-lance,

un mauvais choix de matériels ou un mauvais réglage,

une inadaptation de la composition du mélange.

Dans notre cas, l’ouvrier chargé de la projection était suffisamment expérimenté et le matériel

était adapté et bien réglé, les fortes pertes correspondent donc à une composition inadaptée

qu’il est nécessaire d’écarter.

Les mélanges qui présentent de fortes pertes sont :

les mélanges ne contenant pas suffisamment de fines ou d’éléments fins dans la

matrice : C0, C1 et C2. Il s’avère donc que la teneur en éléments inférieurs à 160 µm

doit être supérieure à 23% (idem pour des granulats roulés et concassés) soit environ

20 % d’éléments inférieurs à 80 µm (la norme NF P 95-102 préconise une teneur

comprise entre 17 et 27%),

les mélanges projetés à sec (sans préhumidification avant projection), si ce mode de

projection est nécessaire il apparaît intéressant, pour réduire les pertes, d’augmenter la

teneur en éléments fins (24% d’éléments inférieurs à 80 µm),

les mélanges projetés avec un réglage inadapté (débit d’air trop faible correspondant à

une pression de 1 bar contre 3 bars pour le débit standard).

Parmi les mélanges testés, ceux qui correspondent au critère retenu, à savoir pertes en

matériaux inférieures à 30%, sont les mélanges préhumidifiés suivants : C3, C4, C14,

C18 et le mélange prêt-à-l’emploi avec ou sans fibres, projetés avec un débit d’air

standard.



8.1.2 Pertes en fibres

Les pertes en fibres sont très importantes en voie sèche du fait de la forte force d’impact. Une

valeur jusqu’à 50% en piédroit est acceptable. Certaines fibres ont donné des pertes plus

importantes tout en gardant de bonnes performances au test de poinçonnement-flexion. Des

mesures effectuées sur chantiers donnent des valeurs bien inférieures (30 à 40% de pertes en

fibres) mais cet écart est parfois imputable à la méthode de mesure. Il faut aussi souligner que

les pertes (fibres et matériaux) dépendent de l’épaisseur de la couche projetée.

8.2 Optimisation d’un béton projeté par voie sèche (cf annexe 32)

selon des critères de performances

8.2.1 Résistance en compression

La mesure de la résistance en compression est l’essai le plus courant pour vérifier la qualité

du béton durci. Les valeurs obtenues sont toutes largement supérieures à 40 MPa, la résistance

en compression n’est donc pas ici un critère discriminant. Certains bétons ont développé

d’excellentes résistances (supérieures à 60 voire 70 MPa).

L’obtention de très bonnes résistances en compression nécessite :

un pourcentage en fines ou en éléments fins important (une teneur en éléments

inférieurs à 160 µm supérieure à 23% a permis d’obtenir une résistance supérieure à

70 MPa),

le mélange prêt à l’emploi a permis d’obtenir des résistances supérieures à 60 MPa,

les fibres de dimensions courantes ne modifient pas la résistance en compression,

l’emploi de graviers concassés, de même qualité que les graviers roulés, a permis

d’obtenir de plus grandes résistances.

8.2.2 Module d’Young

La mesure du module d’Young ou module élastique est un essai peu effectué pour le contrôle

des bétons de chantiers. Il manque donc des références sur les valeurs admissibles pour cette

grandeur. De plus, les exigences sur les valeurs sont fonction des travaux à effectuer. Le

module n’est donc pas un critère discriminant. La gamme des valeurs mesurées lors de la

campagne est large (entre 30,7 et 44,2 GPa avec une moyenne égale à 35,9 GPa).

La moyenne des modules d’Young est 36 GPa. L’obtention de faibles modules (environ

35 MPa) nécessite l’emploi de fibres de petites dimensions (D1). On ne peut rien dire quant à



l’incidence de la composition sur les valeurs de module : aucun des paramètres étudiés n’a

mis de tendance en évidence.

8.2.3 Dispersion des résultats

Des dispersions sur les valeurs de résistances en compression et de modules inférieures à

10% garantissent une bonne homogénéité de la qualité du matériau. Des valeurs plus

importantes (supérieures à 15%) révèlent généralement un défaut dans une des carottes

soumises à l’essai.

La majorité des fortes dispersions obtenues correspondent à des bétons de moindre qualité.

Cette mauvaise qualité peut être due à un défaut de consistance, d’énergie ou à un maauvais

mouvement du porte-lance.

L’analyse des différents résultats montrent que généralement c’est une valeur franchement

différente des autres qui génère une forte dispersion : la réduction de la qualité touche donc un

nombre limité de carottes et donc il est possible de limiter cet aléas en multipliant les

mesures : 12 au lieu de 3.

Il apparaît dans les résultats obtenus que les bétons dont les valeurs sont le plus dispersées

sont :

les bétons de faible teneur en éléments fins,

les bétons renforcés par des fibres de grosses dimensions (D2 et D3).

Les mélanges qui n’ont pas été préhumidifiés avant projection donnent, en moyenne, des

dispersions légèrement plus faibles (dispersions inférieures à 10%). Cependant certaines

compositions permettent d’obtenir de faibles dispersions sur les mélanges préhumidifiés (les

mélanges contenant plus d’éléments fins).

L’emploi de granulats concassés n’est pas préjudiciable pour les dispersions.

Les mélanges correspondant au critère retenu sont : C4, C14, C18 et le mélange prêt-à-

l’emploi. La projection sans préhumidification préalable ou avec des fibres ne génère pas des

dispersions plus importantes.

8.2.4 Energie de poinçonnement-flexion

La mesure de l’énergie absorbée lors de l’essai de poinçonnement-flexion est un essai

caractéristique des bétons renforcés de fibres métalliques. Trois fibres métalliques ont été



testées dans une matrice invariante : un mélange prêt-à-l’emploi commercialisé (S 533 de

Vicat Produits Industriels).

Les bétons testés ont tous absorbé une énergie supérieure à 750 J, valeur largement supérieure

au seuil admissible en France (CETu, SCETAUROUTE et SNCF : 600 J [AFTES, 1993]).

Tous les bétons testés conviennent (valeurs supérieures à 600 J). Le béton qui présente la plus

grande ductilité (énergie absorbée dépassant 850 J) est celui qui contient le moins de fibres

(10 kg/m³ contre 17 et 24 kg pour les deux autres bétons). En revanche, les fibres considérées

sont des petites fibres (D1 : 30*0,38 mm) connues pour leur performance en raison de leur

nombre élevé.

8.3 Optimisation d’un béton projeté par voie sèche (cf annexe 32) -

Bilan de l’optimisation d’un béton projeté par voie sèche -

Les mélanges correspondant le mieux aux différents critères d’optimisation choisis sont des

mélanges riches en éléments fins (environ 26% d’éléments passant au tamis de 160 µm) et

préhumidifiés avant projection : C4-0 et C14-0.

Dans l’optique de limiter les pertes, les compositions riches en fines et préhumidifiées avant

projection seront préférées. Il apparaît que la préhumidification augmente les dispersions,

mais les valeurs restent raisonnables pour les mélanges de fortes teneurs en éléments fins.

Ni les fibres, ni les granulats concassés ne modifient ces tendances. Les fibres de très petites

dimensions (D1) sont préférées pour limiter les dispersions. Elles génèrent beaucoup de pertes

(80%) mais confèrent au béton, malgré un faible dosage en place, une excellente performance

au test de poinçonnement-flexion.

Il est à noter que ces constatations ne tiennent pas compte de certains phénomènes qui

n’auraient pu être observés : les bouchons éventuels (colmatages) dans la tuyauterie, dus aux

éléments fins, n’ont pas pu perturber la projection car elle n’a pas duré suffisamment

longtemps. On limitera donc la teneur en éléments fins (éléments inférieurs à 160 µm) à une

valeur maximale égale à 25%, cette valeur concorde avec les préconisations de la norme

NF P 95-102 (valeurs comprises entre 20,5 et 31,5% pour les éléments inférieurs à 160 µm).


Evaluation des paramètres d’obtention de la qualité des bétons projetés utilisés comme soutènement provisoire, revêtement définitif ou en renforcement de structure - 196 -

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

C1-

O (1

2)

C2-

O (1

2)

C3-

O (6

)

C4-

O (6

)

C0-

O (6

)

C14

-O (1

2)

C18

-O (1

2)

CN

(12)

RT

(3)

RL

(3)

RM

(3)

C2-

S (3

)

C3-

S (3

)

C2-

R (3

)

C3-

R (3

)

S-S

(12)

S-P

(12)

S-O

(12)

S-D

(3)

S-T

(12)

S-R

(3)

S-D

1 (3

)

S-D

2 (1

2)

S-D

3 (3

)

bétons projetés par voie sèche (nombre de mesures de Rc et E)

LEGEND E

his t o g ramme

dispersions sur Rc (%)

dispersions sur E (%)

p o int s

pertes en matériaux (%)

pertes en fibres (%)

résistance en compression à28 j (MPa)

module d 'Young à 28 j(GPa)

énerg ie de poinçonnement(J/10)

teneur en eau (%) * 10

granulats co ncas s és mélanges s ecs

débit d'air minimum

mélanges s ecs

mélanges fibrés

mélange confectionnés sur le site mélange prêt à l'emploi

très large p lage 43-66 MPa

très large p lage 28-42 GPa

large plage 33-41 GPa

4 valeurs : 30 à 32 GPa8 valeurs : 37 à 39 GPa

très large plage 31-49 GPavaleur faib le 29 GPa

large p lage 33-41 GPa

large plage58-71 MPatrès large plage 42-76 MPa

large p lage 59-76 MPa

large plage 47-60 MPa

valeur faib le 19 MPafourchette 60-68 MPa

large p lage 53-67 MPavaleur faible 44 MPa fourchette 51-59 MPa

très large plage : 45-67 MPatrès large p lage44-74 MPa

large p lage 30-36 GPa

valeurs basses 23-24 GPavaleurs hautes 48-51GPatrès large p lage 28-40

valeur basse 27 GPalarge p lage 32-40 GPa

valeur haute 48 GPalarge plage 31-39 GPa

valeur haute 54 GPafourchette 38-40 GPa

très large p lage 29-48 GPa

valeurs basses 29-31GPavaleurs hautes 43-44 GPafourchette 34-39 GPa

sans la valeur iso léemoyenne p lus élevée 64 MPadispersion faib le 9 %

sans la valeur isoléemoyenne moins élevée 39 GPadispersion faible 4 %

d ro it e s 1 : moyenne des résistances en compression (65 MPa)2 : moyenne des modules (36 GPa)3 : valeur limite des pertes en matériaux (30%)4 : valeur limite des d ispersions (15%)

*mo dificatio n de la granulo métrie

mo dificatio n de la teneur en fines

stockage abrité

délai d 'emploi

1

2

3

4



8.4 Importance du squelette granulaire d’un mélange projeté par voie

sèche sur les pertes en matériaux

La granulométrie apparaît importante aux yeux des utilisateurs de mélanges à projeter car elle

conditionne d’une part le bon passage en machine sans colmatage ou bouchon, et d’autre part une

bonne mise en place du béton sur le support en générant un minimum de pertes par rebonds.

Différents bétons ont été projetés lors de la campagne expérimentale de projection de béton par voie

sèche. Parmi les mélanges testés, certains ont permis d’étudier l’incidence de la granulométrie par

ajout de fillers calcaires ou par modification des proportions de chaque coupure granulaire.

8.4.1 Granulométrie des mélanges testés

Les mélanges étudiés sont les suivants : C1, C2, C3, C4, C0, C14, C18. Ils diffèrent par leur teneur

en fillers calcaires (granulométrie du filler : 100 µm) et la proportion de chaque coupure granulaire

(tableau 75).

Tableau 75 : composition théorique de mélanges projetés par voie sèche lors de la campagne (en kg pour 1 m³ de béton) fines différentes coupures granulaires noms des mélanges

ciment fillers SS1 – 0 / 1 mm SS2 – 0 / 2 mm SS3 – 0 / 3 mm SS4 – 2 / 8 mm C1 383,4 0,0 436,7 262,0 349,3 698,6 C2 383,4 87,3 349,3 262,0 349,3 698,6 C3 383,4 121,4 524,0 262,0 402,6 436,7 C4 383,4 121,4 698,6 227,9 262,0 436,7 C0 276,9 0,0 462,2 279,0 370,6 741,2

C14 383,4 85,2 415,4 249,2 332,3 664,6 C18 383,4 187,4 389,8 234,3 311,0 624,1

Ces mélanges correspondent à des courbes granulométriques qui balaient le fuseau normatif (selon

la norme NF P 95-102). Un des mélanges (C0) est bien volontairement en-dessous de la limite

inférieure du fuseau.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tam i s (m m )

pour

cent

age

d'él

émen

ts p

assa

nt p

our

chaq

ue ta

mis

(%)

lim it e in férieure

lim it e supérieure

C1

C2

C3

C4

C0

C14

C18

0,2

0,31

5

0,4

0,63

1,0

1,25 2,0

2,5 4,0

6,3

100,12

5

0,08

0

Figure 103 : courbes granulométriques des mélanges à projeter



8.4.2 Granulométrie des bétons projetés correspondants

La projection génère des pertes qui modifient, dans le cas de la voie sèche, la composition du

mélange. Ces modifications sont visibles sur les courbes granulométriques.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



courbe théorique du mélange à projeter

courbe réelle du mélange à projeter

béton

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

16

Figure 104 : courbes granulométriques d’un mélange et du béton correspondant

0

5

10

15

20

25

30

35

40

tranche granulaire (mm)

prop

ortio

n d'

élém

ents

dan

s ch

aque

tran

che

gran

ulai

re (%

)

mélange

béton

0,160 0,315 0,63 1,25 2,5 5 8 10 12,5

Figure 105 : histogramme des distributions granulaires des mélanges et des bétons

augmentation de la teneur en fines

pente moins importante pour le béton par rapport au mélange signifiant une réduction de la teneur en sable plus grossier même proportion

d’éléments passant au plus gros tamis

enrichissement du béton en éléments fins

appauvrissement du béton en sable grossier

proportions quasiment identiques de gravillons pour le béton et le mélange

1



La comparaison des courbes granulométriques (cf annexe 6) du béton et du mélange avant

projection montre la manière dont la projection affecte la composition du béton :

augmentation de la teneur en fines,

réduction de la teneur en granulats de taille 1 à 5 mm.

La comparaison des proportions d’éléments présents dans chaque tranche granulaire (cf figure 105)

donne très clairement les paliers d’enrichissement ou d’appauvrissement dus à la projection.

La granulométrie du béton en place diffère de celle du mélange initial. Les courbes des bétons en

place sont moins dispersées que celles des mélanges initiaux (cf figure 106), comme le montre les

graphes suivants. La projection nivelle la composition du mélange.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



courbe du béton C1

courbe du béton C2

courbe du béton C3

courbe du béton C4

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

Figure 106 : courbes granulométriques des bétons dont le paramètre variant dans la composition des mélanges initiaux est la proportion de chaque granulat

Quelle que soit la composition du mélange initial, la projection par voie sèche tend à uniformiser la

composition du béton en place : « le béton prend dans le mélange projeté ce dont il a besoin pour se

construire et rejette le reste » [Maguet, communication orale]. Il existe donc une composition plus

adaptée pour la projection vis-à-vis de la modification de la composition, celle qui donne le moins

de pertes.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Tam

isat

s (%

)



courbe du béton C1

courbe du béton C0

courbe du béton C14

courbe du béton C18

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25 2,5

5 8 10 12,5

Figure 107 : courbes granulométriques des bétons dont le paramètre variant dans la composition des mélanges initiaux est la teneur en fillers

8.4.3 Composition du béton en place

Les informations recueillies sur les mélanges à projeter et les bétons en place permettent d’estimer

la composition des bétons projetés sur le support. Les éléments fins contenu dans le béton ne sont

pas pris en compte dans l’analyse granulaire. En effet, pour que cette analyse puisse se faire, il est

nécessaire de délaver le béton et de le tamiser, les éléments fins partent donc lors du tamisage mais

un système de double pesée permet de connaître cette proportion.

Tableau 76 : composition des bétons projetés en place estimée d’après l’analyse granulaire des bétons ciment fillers SS1 SS2 SS3 SS4 CN46 CN610 RM RT RL24 RL46 RL610

C1/1 666 0 520 125 312 458 C1/2 728 0 520 208 291 333 C2 541 125 416 146 354 499 C3 562 187 562 125 291 354 C4 489 156 624 125 312 374 C0 582 0 416 250 374 458 C14 530 114 416 166 416 437 C18 458 229 416 62 416 499 CN 697 156 520 146 312 125 125 RM 697 156 520 146 354 208 RT 697 156 499 146 374 208 RL 697 156 520 146 250 166 83 62

C2-S 624 166 416 146 270 458 C2-R 437 104 374 166 395 603 C3-S 614 198 541 83 374 270 C3-R 478 146 541 187 374 354

Une des hypothèses est que la projection conserve le rapport Fillers sur Ciment ainsi dans le béton

en place, ce rapport est le même que dans le mélange initial. On peut donc alors faire le distinguo

entre ciment et fillers. Enfin l’analyse granulométrique permet de connaître la répartition granulaire



du béton en place, en comparant ces valeurs pour chaque tranche granulaire avec les courbes

granulométriques des constituants de base on en déduit une composition du béton en place.

Les courbes granulométriques obtenues avec cette recomposition sont proches des courbes

granulométriques mesurées sur les bétons projetés (cf figure 108).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tamis (mm)

Pour

cent

age

d'él

émen

ts p

assa

nt p

our

chaq

ue ta

mis

(%)

courbe granulaire mesurée sur le béton projeté

courbe granulaire découlant de l'estimation de la composition

0,08

0

0,16

0

0,31

5

0,63 1,25 2,

5

5 8 10

Figure 108 : courbe granulométrique d’un béton d’après analyse d’un échantillon et par estimation de la composition

Des mesures de la teneur en ciment ont été effectuées sur quelques bétons : une moyenne de 500kg

de ciment par mètre cube de béton projeté a été évaluée alors que le tableau présente des teneurs

comprises entre 458 et 728 kg/m³ avec une moyenne égale à 593 kg/m³. L’écart avec l’estimation

est donc proche de 20%. Cependant il faut souligner que cette estimation est basée sur de

nombreuses hypothèses. Les petits écarts peuvent donc se cumuler.

Tableau 77 : enrichissement et appauvrissement des bétons pour chaque constituant (en kg/m³) ciment fillers SS1 SS2 SS3 SS4 CN46 CN610 RM RT RL24 RL46 RL610

C1/1 78 - 22 -51 -9 -33 C1/2 94 - 22 -19 -15 -51 C2 44 46 22 -43 4 -27 C3 50 58 10 -51 -26 -17 C4 31 32 -9 -44 22 -12 C0 115 - -8 -8 3 -37

C14 42 38 3 -32 28 -33 C18 22 25 9 -73 37 -18 CN 86 83 52 -43 53 -80 -39 RM 86 88 56 -22 -32 -64 RT 86 83 46 35 75 -47 -80 -71 RL 86 83 52 -53 -41 -89

C2-S 67 95 22 -43 -21 -33 C2-R 17 22 10 -35 16 -12 C3-S 64 67 6 -67 -5 -37 C3-R 28 23 6 -27 -5 -17

moyenne 62 57 20 -36 5 -27 -80 -39 -64 -47 -80 -71 -89

enrichissement en

éléments fins appauvrissement en granulats



On retient à titre indicatif les compositions obtenues grâce à l’estimation que l’on compare à la

composition du mélange à projeter.

Cette comparaison confirme un enrichissement en éléments fins des bétons et un appauvrissement

en gros granulats.


Les pertes, de faible densité, ne peuvent être comparées au béton en place ou au mélange initial.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tam is (m m )

Tam

isat

s (%

)



courbe granulaire théorique dumélange à projeter

courbe granulaire des pertes

0,16

0

0,31

5

0,63

1,25

2,5

5 12,5

8 10 16

Figure 109 : courbe granulométrique des pertes en matériaux par rapport à celle du mélange à projeter

0

5

10

15

20

25

30

35

t r an ch e s g r an u lair e s (m m )

prop

ortio

n d'

élém

ents

dan

s ch

aque

tran

che

gran

ulai

re (%

)(e

nric

hiss

emen

t (>0

) ou

appa

uvris

sem

ent (

<0) d

es p

erte

s pa

r rap

port

au

mél

ange

initi

al (%

) )

0,160 0,315 0,63 1,25 2,5 5 8 10

-51 -39 -26 4 31 54 27

-2

Figure 110 : histogramme de distribution granulaire des pertes et appauvrissement des mélanges (encadré)

pertes riches en granulats grossiers (de 1,25 à 8 mm) enrichissement important en éléments de taille 5 mm

pertes pauvres en éléments fins (jusqu’à 630 µm) appauvrissement important en éléments les plus fins (160 µm)



L’analyse de la granulométrie des pertes montre qu’elles contiennent peu d’éléments fins (jusqu’à

0,63 mm) et de gros granulats (8 mm) par rapport au mélange initial au bénéfice de granulats de

taille intermédiaire (2,5 et 5 mm).

8.4.5 Mélange le plus apte à la projection

La distribution granulaire du béton en place varie peu d’une composition à l’autre malgré les écarts

initiaux : la projection nivelle la composition du mélange.

L’impact de la modification de la composition due à la projection peut être quantifié en évaluant

l’aire entre les deux courbes granulométriques : celle du béton en place par rapport à celle du

mélange à projeter.

La comparaison des aires sous les courbes granulométriques des mélanges à projeter et des bétons

en place en fonction des pertes en matériaux montre que les mélanges produisant le moins de pertes

sont également ceux que la projection perturbe le moins (cf figure 111).

y = 1 ,2 0 9 4 x - 6 ,4 0 8 7R 2 = 0 ,9 0 0 2

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

5 5

6 0

2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0

pro po r t i o n de pe rte s e n m a t é r i a u x (% )

écar

t sur

faci

que

entr

e le

s cou

rbes

gra

nula

ires

des

mél

ange

s et d

es b

éton

s cor

resp

onda

nt

Figure 111 : différence d’aires entre les courbes granulométriques des bétons et des mélanges correspondant en fonction des valeurs des pertes en matériaux

Les mélanges testés les plus adaptés de ce point de vue sont des mélanges assez fortement dosés en

éléments fins : C3, C4 et C18. La composition idéale d’un point de vue de la projection est donc

une composition proche de celle de ces mélanges (cf tableaux 78 et 79).

Tableau 78 : composition (en kg pour un m³ de béton) des mélanges à projeter les plus aptes à la projection fines différentes coupures granulaires noms des mélanges

ciment fillers SS1 – 0 / 1 mm SS2 – 0 / 2 mm SS3 – 0 / 3 mm SS4 – 2 / 8 mm C3 383,4 121,4 524,0 262,0 402,6 436,7 C4 383,4 121,4 698,6 227,9 262,0 436,7

C18 383,4 187,4 389,8 234,3 311,0 624,1



Tableau 79 : composition (en %) des mélanges à projeter les plus aptes à la projection fines différentes coupures granulaires noms des mélanges

ciment fillers SS1 – 0 / 1 mm SS2 – 0 / 2 mm SS3 – 0 / 3 mm SS4 – 2 / 8 mm C3 18 6 25 12 19 20 C4 18 6 33 11 12 20

C18 18 9 18 11 15 29

Les compositions la plus aptes à la projection sont celles qui génèrent le moins de pertes, ce sont

également celles qui entraînent le moins de modifications de la structure granulaire lors de la

projection.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tamis (mm)

pour

cent

age

d'él

émen

ts p

assa

nt p

our

chaq

ue ta

mis

(%)

limite inférieure

limite supérieure

C1

C2

C3

C4

C0

C14

C18

0,2

0,31

5

0,4

0,63

1,0

1,25 2,0

2,5 4,0

6,3

100,12

5

0,08

0

0,2

0,31

5

0,4

0,63

1,0

1,25 2,0

2,5 4,0

6,3

100,12

5

0,08

0

Figure 112 : courbes granulométriques des mélanges à projeter les plus aptes à la projection (courbes surlignées) par rapport aux différents mélanges testés

Ces mélanges ont des courbes granulométriques comprises entre la médiane et la courbe supérieure

du fuseau normatif (cf figure 112).

8.5 Importance de la teneur en eau

Lors de la projection par voie sèche, l’apport en eau de gâchage se fait à la lance. Une petite

quantité d’eau peut être introduite dans le mélange avant projection et homogénéisée avec un

malaxeur : c’est la préhumidification du mélange.

Une teneur en eau optimale conditionne la qualité du béton. A l’inverse, une teneur en eau trop

importante ajoutée à la lance génère des aléas :

bouchage dans la machine dû à un mélange trop cohésif,

pertes par retombées augmentées,



baisse de résistance,

difficulté de compactage du béton sur le support…

Au niveau de la lance, le réglage du débit d’eau est géré manuellement, le dosage est donc

forcément subjectif et lié à l’appréciation de la projection par le projeteur. Ce dosage conditionne la

qualité du béton, on comprend donc l’importance de la compétence de l’ouvrier chargé de la

projection.

La lance peut présenter la particularité d’avoir l’anneau de mouillage situé quelques mètres en

amont de la lance (1 à 3 mètres) : c’est le prémouillage.

L’importance de la teneur en eau doit donc être étudiée pour les deux lieux d’introduction évoqués :

dans le mélange avant projection,

à la lance, au niveau de la buse ou un peu avant (lance de prémouillage).

8.5.1 Incidence de l’eau sur le béton

Les études menées sur le béton coulé montrent l’importance de la teneur en eau sur les

caractéristiques mécaniques des bétons. L’excès d’eau en s’évaporant crée un réseau poreux

préjudiciable pour la résistance en compression. A l’inverse, un manque d’eau a des répercussions

sur l’hydratation du ciment et peut générer des amas de ciment et / ou de mélange non hydratés.

Le risque dans le cas de la projection est plus grand car on n’a pas un vrai malaxage du mélange

avec l’eau. Le mélange se charge en eau durant son bref passage à la lance et le « malaxage »

(mélange des constituants) se produit sur le support lors de l’impact. Malgré la rapidité de cette

procédure, les besoins en eau ne sont pas accrus et le rapport E/C du béton projeté sur le support

avoisine 0,40-0,45, ce qui est comparable à des bétons coulés performants.

Le béton projeté en place est de bonne qualité et la résistance en compression atteint facilement

55 MPa.

8.5.2 Préhumidification du mélange

La rapidité de la procédure de mouillage du béton à la lance n’est pas préjudiciable pour la qualité

du béton, mais il y a des risques qu’il subsiste, sur le support, des amas de mélange non hydratés.

Pour limiter ces risques et améliorer la qualité de la projection, le mélange peut être préhumidifié

avant introduction dans la machine. La préhumidification réduit les émissions de poussières à la

machine et à la lance : l’eau introduite colle les fines particules qui se trouvent lestées et ne volent

pas lors de l’introduction d’air comprimé. L’eau introduite dans le mélange lui est intimement liée

par le biais d’un malaxage. Cela permet la mise en place d’un réseau hydrique homogène dans la



mélange. Ce réseau facilite le mouillage à la lance et favorise l’homogénéité : l’eau choisi

préférentiellement le chemin hydrique déjà instauré et pénètre facilement jusqu’au cœur du

mélange. Les résultats montrent que la préhumidification permet de réduire la teneur en eau dans le

mélange en place (cf § 6.3.3). Ces mêmes résultats montrent également une réduction des pertes en

matériaux (cf § 6.3.1).

Pour ne pas tomber dans les travers soulignés plus haut, bouchage à la lance et pertes par

retombées, la quantité d’eau apportée par la préhumidification doit rester inférieure à 7% en masse

de granulats secs ou 5% en masse du mélange total sec.

8.5.3 Prémouillage du mélange

Lorsque le mélange n’est pas préhumidifié les risques de défauts d’hydratation sont grands et se

combinent à la gêne dues aux émissions de poussières. Il existe cependant des configurations où la

préhumidification n’est pas envisageable ou adaptée (projection de bétons à Résistance Initiale

Garantie par exemple).

On peut améliorer les conditions de projection des mélanges secs en utilisant une lance dont

l’anneau de mouillage est avancé de quelques mètres en amont de la lance (1 à 4 mètres selon le

diamètre du tuyau [Resse et Vénuat, 1981]. Ce conditionnement améliore l’hydratation du mélange

et réduit les pertes (frottements réduisant la vitesse de sortie des éléments [Resse et Vénuat, 1981]).

Cette remarque est confirmée par les résultats de notre campagne : 38% de pertes dans le cas

d’emploi d’une lance classique contre 34% avec une lance de prémouillage (prémouillage de 1

mètre pour une buse de diamètre 40 mm). Dans ces deux cas de figure le mélange a, bien sûr, été

introduit sec dans la machine. La réduction des vitesses de sortie des éléments diminue

l’enrichissement en ciment [Resse et Vénuat, 1981], l’adhérence au support est alors réduite par

rapport à la projection d’un mélange non préhumidifié avec une lance classique. En revanche, un

avantage de ce procédé est la réduction des poussières : les fines, collées, se dispersent moins dans

le jet.

Pour la seule composition projetée avec ce procédé, la teneur en eau dans le béton en place est

supérieure aux deux autres méthodes (projection d’un mélange sec avec une lance classique ou

projection d’un mélange préhumidifié). Le réglage du débit d’eau est donc un peu plus délicat à

réaliser par rapport aux deux autres méthodes.

La résistance des bétons projetés avec une lance de prémouillage est supérieure à celle des bétons

projetés avec une lance classique ou préhumidifiés : 80 MPa dans le premier cas et 70 MPa dans les

deux autres cas. Ces résultats confirment une étude sur le sujet [Diernat, 1974].



8.6 Optimisation d’un béton projeté par voie mouillée (cf annexe 31)

selon des critère de formulation et de mise en oeuvre

Les critères choisis pour conduire cette optimisation sont les suivants :

les pertes en matériaux avec un seuil à 12%,

les pertes en fibres avec un seuil à 20%,

la résistance en compression avec une valeur seuil à 35 MPa,

le module d’Young,

la dispersion sur les valeurs de résistance en compression et de module avec un seuil à 15%,

l’énergie absorbée lors de l’essai de poinçonnement-flexion avec un seuil à 600 J.


Des pertes en matériaux supérieures à 12% en parement vertical sont anormales lors de la projection

par voie mouillée : elles révèlent une inadaptation de la composition du mélange (étant donné

l’expérience de l’ouvrier chargé de la projection).

Les valeurs des pertes sont au maximum égales à 15%.

L’emploi de granulats concassés ou de fibres en grande quantité n’a pas augmenté les pertes en

matériaux , ni même l’augmentation du dosage en fibres. La modification du squelette granulaire en

faveur des graviers (diminution du rapport S/G de 1,80 à 1,63) a généré une augmentation des

pertes (de 11% à 14%), comme on pouvait l’attendre, mais elles restent inférieures à la valeur seuil.

Les mélanges qui présentent le moins de pertes en matériaux sont :

les mélanges de consistance très fluide,

les mélanges contenant des fibres de dimensions moyennes.

La composition contenant les fibres les plus grosses a généré des pertes égales à 15%. La

composition étant identique aux six autres bétons de base contenant des fibres, c’est la fibre qui

perturbe la constitution de la couche de béton. Cette fibre ne convient pas pour la projection des

bétons. Dans les travaux de projection, cette fibre est quasi exclusivement utilisée dans le domaine

minier du fait des grandes ouvertures de fissures admises.

Les pertes en matériaux ne sont pas un critère déterminant car les autres compositions ont donné des

pertes en matériaux inférieures à la valeur seuil. Seule la plus grosse fibre est à écarter, inadaptée à

la projection.



8.6.2 Pertes en fibres

Lors de la projection par voie mouillée, des pertes en fibres supérieures à 20% révèlent une

inadaptation des fibres vis-à-vis de la projection.

Le seuil admissible pour les pertes en fibres lors de la projection par voie mouillée écarte les fibres

les plus grosses (W5 et W7 de dimensions respectives 50*0,62 mm et 30*0,75 mm).

Parmi les fibres testées, les fibres de dimensions médianes génèrent très peu de pertes (entre 5 et 8%

de pertes). En revanche, les petites fibres se dispersent beaucoup dans le cône de projection (20% de

pertes) et les grosses fibres s’avèrent trop lourdes (entre 28 et 49%), les pertes sont alors dues aux

chutes avant support.

Un dosage en fibres plus élevé (60 kg/m³) a généré une valeur de pertes acceptable (13%).

La modification du squelette granulaire au profit des graviers n’a pas augmenté les pertes en fibres,

elles restent dans des proportions acceptables (de 8 à 11%).

8.7 Optimisation d’un béton projeté par voie mouillée (cf annexe 31)

selon des critère de performances

8.7.1 Résistance en compression

Les valeurs de résistance en compression recensées sont toutes supérieures à 35 MPa, la résistance

n’est donc pas un critère de choix parmi nos compositions. La plage de valeurs est faible : 47 MPa

au maximum pour le béton adjuvante de fumée de silice.

La résistance en compression moyenne vaut 42 MPa. Ce n’est donc pas un critère déterminant

(quels que soient les fibres ou le type de granulats).

8.7.2 Module d’Young

La gamme des valeurs de module élastique mesurées s’étend de 19,5 GPa à 24,9 GPa, la plage de

valeur est restreinte. Le module n’est donc pas un critère d’optimisation. Ces valeurs sont faibles

(pour les bétons coulés : module élastique supérieur à 25 GPa pour un B30 et de l’ordre de 30 GPa

pour un B40).

Le module moyen vaut 22 GPa environ. Les écarts entre les différentes compositions sont faibles.

L’obtention de faibles modules est favorisé par :

la dimension des fibres (de petites dimensions ou à l’inverse de grandes dimensions),

le nombre de fibres (plus forte teneur ou petites fibres),



la modification du squelette granulaire (en faveur des graviers).

8.7.3 Dispersion des résultats

La dispersion sur les valeurs de résistance en compression et de module ne doit pas excéder 15%.

L’ensemble des résultats obtenus est une moyenne ef.fectuée sur trois valeurs. Dans le cas de la

projection par voie mouillée, des dispersions supérieures à 10% correspondent à trois mesures

différentes les unes des autres, ceci invite à multiplier les mesures (6 à 12 mesures).

Les bétons contenant les fibres de dimensions médianes (W3 et W4 de longueur 35 mm et de

diamètre 0,50 – 0,55 mm) présentent des résultats moins dispersés. Le béton fortement fibré (W2)

donne également de faibles dispersions.

8.7.4 Energie de poinçonnement-flexion

La mesure de l’énergie absorbée lors de l’essai de poinçonnement-flexion est un essai

caractéristique des bétons renforcés de fibres métalliques. Les bétons testés ont tous absorbé lors de

cet essai une énergie supérieure à 600 J, valeur correspondant au seuil admissible en France (CETu,

SCETAUROUTE et SNCF). Certains bétons ont absorbé des énergies supérieures à 900 J voire

1 000 J.

La modification du squelette granulaire au profit des graviers, l’augmentation du dosage en fibres et

l’emploi de fibres de plus petites dimensions améliorent la performance des bétons vis-à-vis de

l’essai de poinçonnement-flexion.

Tous les bétons testés conviennent, cependant certains bétons s’avèrent être très performants vis-à-

vis de ce critère. Les valeurs dépassent 900 J dans les cas suivants :

fibres de petite dimension et donc nombreuses,

fort dosage en fibres,

squelette granulaire de la matrice favorisant les graviers.

8.8 Optimisation d’un béton projeté par voie mouillée (cf annexe 31) -

Bilan de l’optimisation d’un béton projeté par voie mouillée -

Les résultats laissent apparaître des critères d’optimisation non déterminants pour les bétons testés

(pertes en matériaux, module et résistance en compression).

Selon le critère retenu, les grandeurs qui apparaissent primordiales sont :

les pertes en fibres pour répondre à un critère économique,

l’énergie absorbée pour répondre à un critère de performance.



Dans le premier cas, les fibres de dimension moyenne (longueur 30 – 35 mm pour une diamètre de

0,55 mm) minimisent les pertes en fibres tout en assurant une énergie absorbée satisfaisant le seuil

couramment admis. Ces deux bétons (S0-W3 et S0-W4) ne donnent pas les modules les plus

faibles, ni les pertes en matériaux les plus limitées.

Des choix de formulation peuvent permettrent d’obtenir des énergies supérieures à 950 J. L’emploi

de petites fibres (fibre W1 de dimensions 30*0,38 mm) génère plus de pertes en fibres (6,0 kg de

fibres perdues pour un dosage initial de 30kg/m³), mais également le plus faible module d’Young et

la plus forte énergie absorbée (1200 J). L’augmentation du dosage en fibre (60 kg/m³ au lieu de 30

kg) génère également de fortes pertes en fibres (7,0 kg de fibres perdues pour un dosage initial de

60kg/m³) mais le béton conserve une forte énergie absorbée (plus de 1000 J). La modification du

squelette granulaire au profit des graviers (S/G de l’ordre de 1,6 plutôt que 1,8) génère moins de

pertes (1,6kg de fibres perdues pour un dosage initial de 30kg/m³) et le béton reste très ductile

(950 J d’énergie absorbée).

Il est à noter que ces constatations ne tiennent pas compte de la rhéologie des mélanges qui a varié

d’une composition à l’autre, rappelons que nous avons obtenu trois consistances différentes

(mesurée à la table à secousses) : fluide, très fluide et « très très fluide », toutes permettant une

projection sans risques de formation de bouchons. De telles variations de la consistance n’ont pas eu

de répercussions sur les dispersions.

8.9 Choix des fibres métalliques

Les fibres métalliques sont utilisées dès lors que l’on souhaite obtenir un béton ductile. Deux

critères orientent le choix des fibres : l’aspect économique et l’aspect performantiel. Les remarques

qui suivent sont relatives à des fibres à crochets commercialisées par Bekaert (Dramix).

Le premier aspect est régi par la quantité de pertes en fibres générée par la projection. Selon cet

aspect, les fibres les plus adaptées sont celles de dimensions médianes (longueur 30 – 35 mm pour

une diamètre de 0,55 mm). Ces fibres satisfont au critère de performance minimal exigé sur les

chantiers français (énergie absorbée lors de la déformation centrée d’une plaque supérieure à 600 J).

Ce sont les fibres les plus couramment commercialisées et donc celles dont le coût de production est

le plus faible.

Le second aspect est régi par l’énergie absorbée par une plaque de béton lors d’une déformation

centrée imposée. Les fibres qui permettent d’atteindre la plus grande énergie absorbée sont soit les

fibres les plus fines (30*0,38 mm), soit des fibres de dimensions plus standards (longueur 30 mm



pour une diamètre de 0,50 mm) mais avec un dosage doublé (60 kg/m³ au lieu de 30 kg). Les

performances passent alors de 600-800 J à plus de 1 000 J.

Ces deux solutions présentent un surcoût en fibres du fait, dans le premier cas, de pertes plus

élevées et, dans le second cas, des quantités augmentées.

Dans le domaine minier où les ouvertures des fissures sont importantes, les fibres employées sont

de grandes dimensions. Les pertes en fibres sont alors très importantes (près de 50%) mais les

performances restent largement satisfaisantes avec un dosage initial de 30 kg/m³ (plus de 850 J).



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

S0 S0-W1 S0-W2 S0-W3 S0-W4 S0-W5 S0-W7 S0-W2-F S1-W2-60 S0-C S0-M S2-W2


0

20

40

60

80

100

120

140LEGENDE

histogramme

dispersions sur Rc

dispersions sur E

points

pertes en matériaux

pertes en fibres

résistance en compression à 28 j

module d'Young à 28 j

énergie de poinçonnement

consistance : étalement à la secousses (cm)

1

2

3

droites 1 : moyenne des résistances compression (42 2 : moyenne des modules (22 3 : valeur limite des pertes et dipersions

large plage 17,4 - 23,9

large plage 20,6 - 27,5

valeur faible 9,2 2 valeurs à 25

large 16,6 - 25,5

sans la valeur moyenne plus élevée 24,8 dispersion faible 7

c

mélanges t rès fluides

mélanges t rès

mélange fluide

W4

diamètre 30

W3

0,38 30

W7

35

30

W535

W2

W1

dimensions

50

0,75 0,62 0,55 0,55 0,50

longueur

bétons fumée de silice

fort dosage en fibres

granulats concassés

béton fibré granulaire (S/ G =

teneur en fluidifiant augmentée



8.10 Conclusion : optimisation des bétons projetés

L’optimisation des bétons est fonction des critères choisis.

Dans le domaine des bétons projetés, aucune exigence n’est formulée sur les valeurs de

module, cette grandeur ne saurait être un critère d’optimisation. Les résistances en

compression mesurées satisfont largement les spécifications courantes, cela ne saurait être

aussi un critère d’optimisation des bétons projetés.

L’optimisation des bétons projetés par voie mouillée proposée d’après les mélanges testés

tient compte des pertes en matériaux, en fibres et des dispersions sur les valeurs de résistance

en compression et de module.

La plupart des bétons projetés par voie mouillée testés contiennent des fibres, ce qui justifie

de retenir comme critère de performance l’énergie absorbée. Tous les bétons testés satisfont à

l’exigence de 600 J. Mais il est possible d’atteindre facilement de plus grandes performances

(proche de 1 000 J) avec :

une modification du squelette granulaire au profit des gravillons,

un dosage courant (30 kg/m³) de petites fibres (les plus petites des fibres testées :

0,38*30 mm),

un dosage plus important (60 kg/m³) de fibres de dimensions plus courantes

(0,50*30 mm).

Ces deux cas étudiés ont généré de grandes pertes en fibres (6-7 kg pour respectivement 30 et

60 kg de fibres introduites dans le mélange initialement). Selon un critère économique, le

choix se porte sur des fibres de dimensions plus courantes (0,55*30-35 mm).

Dans notre cas et pour l’optimisation des bétons projetés par voie sèche, les critères retenus

sont donc les pertes en matériaux et les dispersions sur les valeurs de résistances en

compression et de module. Selon ces critères, les compositions les plus pertinentes restent

celles qui sont fortement dosées en éléments fins (23 et 25% d’éléments passant au tamis de

80 µm et correspondent aux mélanges C4 et C14).

Malgré les fortes pertes en fibres (de 50% à 80%), les énergies absorbées mesurées sont

supérieures à 780 Joules. Seulement trois fibres ont été testées, ce qui ne permet pas de

prendre en compte ce critère de performance. Les mélanges qui ressortent comme optimaux

n’ont pas été projetés pendant suffisamment longtemps pour valider leur passage en machine

sans colmatage.



L’importance de la structure granulaire des mélanges à projeter est surtout vérifiée lors de la

projection par voie sèche (écoulement dans la trémie de la machine et mise en place du

mélange sur le support). Les recommandations s’appuient sur un fuseau normalisé dans lequel

la courbe granulométrique du mélange doit s’insérer et sur un critère de continuité de la

courbe. Certains des mélanges testés dépassent légèrement le fuseau mais respectent le critère

de continuité.

La projection par voie sèche modifie la composition du mélange. Parmi les compositions

testées, celles qui génèrent le moins de modifications sont celles qui sont le plus fortement

dosées en fines, ce sont également celles qui génèrent le moins de pertes. Ce sont donc les

compositions les plus adaptées à la projection.

Conclusion


« Je ne veux pas prier d'être protégé des dangers, mais de pouvoir les affronter. » Rabindranàth Tagore

Conclusions

Contexte de la thèse

Parmi les diverses utilisations du béton projeté, on peut citer les deux applications

principales :

• la réparation et le renforcement d’ouvrages,

• le soutènement provisoire ou le revêtement définitif de tunnels.

De manière générale, la première application fait appel à la projection par voie sèche alors

que la seconde est du ressort de la voie mouillée (cf chapitre 1). Ces deux applications

sollicitent des qualités particulières des bétons projetés.

Les connaissances actuelles sur ce matériau sont principalement empiriques, issues des

chantiers et comportent de nombreuses idées reçues. La formulation des mélanges est régie

par quelques règles (fuseau granulaire et teneur en ciment) qui permettent cependant une large

plage de manœuvre et ne garantissent pas l’obtention d’un mélange projetable. La variété des

paramètres non maîtrisables propres à ce mode de mise en œuvre limite grandement les études

sur le béton projeté, qui souffre donc de méconnaissances.

L’objectif de ce travail a été d’apporter des connaissances supplémentaires sur :

• la formulation des mélanges à projeter,

• la projection (caractéristiques),

• le matériau béton projeté (qualité).

Ces informations ont été apportées par le biais de deux campagnes expérimentales.

Dans ce mémoire, nous avons en premier lieu établi un parallèle entre béton coulé et béton

projeté de manière à cerner les domaines d'emploi propres à la projection. Puis nous avons

dressé un état de l’art sur la formulation et la projection des mélanges (chapitre 2 et 3). Nous

avons ensuite étudié les moyens de répondre aux différentes questions posées par le biais de

deux campagnes expérimentales de projection (chapitre 4) lors desquelles plusieurs

compositions de bétons (cf chapitre 5) ont été projetées, avant de nous attaquer à

l’exploitation des résultats obtenus (chapitres 6 et 7) et leur application dans une logique

d’optimisation des bétons (chapitre 8).

Conclusion


Contribution

Le titre de ce travail précise les axes de recherche : « Evaluation des paramètres d’obtention

de la qualité des bétons projetés utilisés dans des soutènements provisoires, des revêtements

définitifs, des réparations ou des renforcements d’ouvrages ».

Nous nous sommes donc intéressés à la fois aux paramètres de formulation et de projection

qui apparaissent comme influant dans la bibliographie. En se basant sur ces paramètres,

différents mélanges ont été projetés (plus d'une dizaine pour la voie mouillée et plus d'une

vingtaine pour la voie sèche) et ont fait l'objet d'un grand nombre de mesures et d’essais aussi

bien sur les mélanges à projeter que pendant la projection ou sur les bétons projetés durcis.

Cette étude présente donc l’avantage de proposer une caractérisation suffisamment complète

des bétons projetés et de constituer une banque de données pour lesquels peu de paramètres

externes et propres au chantier (provenance des constituants, ouvrier de projection, méthodes

de mesure, etc.) varient.

L’étude du béton projeté est rendue délicate par les nombreux paramètres variant (pression

d'air, matériels, porte-lance) ou non maîtrisables (régularité de la compacité, homogénéité de

la composition du béton en place, etc.) qui interviennent dans le procédé. Les études de

laboratoire, plus rigoureuses, sont peu courantes car la technique de mise en œuvre ne s’y

prête guère et elles ont l'inconvénient de ne pas refléter la réalité des chantiers.

Les résultats obtenus par le biais des deux campagnes expérimentales sont comparables à la

réalité (conditions comparables aux chantiers). Il s’avère toutefois que les interprétations

peuvent parfois être difficiles à mener et que certaines tendances observées ne peuvent être

franchement confirmées. Ces deux approches expérimentales – en laboratoire et in situ – sont

donc complémentaires.

Les différents essais et résultats obtenus permettent de conclure sur les points suivants :

La consistance des mélanges à projeter par voie mouillée a fortement varié d'une

composition à l'autre quand bien même la formulation n'a pas été modifiée. Cela

résulte des résidus d'eau dans la toupie après vidange. L'analyse des résultats ne

montre, cependant, pas de modification des performances mécaniques résultant de ce

phénomène.

Les divers essais de laboratoire réalisés sur les mélanges à projeter par voie sèche ne

se sont pas avérés concluant pour permettre une caractérisation des mélanges avant

projection et prédire leur capacité à être projeté. Des pistes sont néanmoins ouvertes.

Conclusion


Les pertes en matériaux sont plus élevées en voie sèche qu'en voie mouillée comme le

souligne la littérature. La valeur de pertes dépend de la composition du mélange

(proportion de sable par rapport aux gravillons). Cette remarque est d'autant plus vraie

pour la projection par voie sèche pour laquelle les pertes peuvent varier du simple à

plus du double (de 20% à 50%). Il ressort que ni les granulats concassés, ni les fibres

de dimensions standards n'augmentent les pertes en matériaux.

La projection par voie sèche modifie la composition du mélange et il apparaît que les

mélanges qui subissent le moins de modifications sont également ceux qui provoquent

le moins de pertes.

Les pertes en fibres sont également plus importantes dans le cas de la voie sèche que

de la voie mouillée : les valeurs ne dépassent pas 50% (moyenne : 20%) pour les

fibres les plus grosses projetées par voie mouillée contre des valeurs comprises entre

50 et 80% pour les trois fibres projetées par voie sèche. Ces valeurs correspondent aux

valeurs de chantier pour la voie mouillée. Pour la voie sèche, les valeurs mesurées sont

supérieures à certaines valeurs de chantier mais il faut avoir à l'esprit que certaines

méthodes de mesure minimisent le résultat. Les valeurs des pertes en fibres dépendent

de la dimension des fibres. Les fibres les plus fines et les fibres les plus grossières

produisent le plus de pertes : entre 20 et 50%.

Les épaisseurs projetables peuvent être importantes : jusqu'à 38 cm mesurés pendant la

campagne, avec une moyenne de l'ordre de 20 cm. Un exemple de chantier rapporte

une épaisseur atteinte proche de 50 cm. Il faut cependant rappeler qu'il est rare de

devoir projeter de telles épaisseurs et que cela est même déconseillé pour la qualité du

béton en place (fissurations ou dislocations non visibles).

La pression mesurée dans les tuyaux pendant la campagne de projection par voie

mouillée est bien inférieure aux valeurs mentionnées dans la littérature même dans le

cas d'un pompage difficile d'un mélange fortement dosé en fibres (pression inférieure à

50 bars dans ce cas). Les courbes de mesure des pressions montrent clairement les

chutes périodiques de pressions dues au pompage. Les mesures obtenues ne mettent

pas en évidence d'incidence de la consistance du mélange ni de la taille des fibres sur

les valeurs de pression ou la fréquence de pompage.

Les émissions de poussières sont importantes et dépassent les seuils admissibles.

Cependant ces seuils correspondent à des postes de projection continue de 8h, ce qui

est rarement le cas dans la réalité. De plus, les poussières sont exemptes de particules

siliceuses. Il faut cependant souligner l'importance des équipements de protection.

Conclusion


La teneur en eau en place des bétons projetés par voie sèche est telle que le rapport

E/C est proche de 0,4. La préhumidification crée un réseau hydrique qui facilite le

mouillage à la lance et réduit légèrement la demande en eau mais surtout elle améliore

l'homogénéité de la répartition de l'eau dans le béton.

La résistance en compression des bétons projetés testés est élevée même pour la voie

mouillée (entre 35 et 45 MPa en moyenne à 28 jours). Pour la voie sèche, la résistance

des bétons projetés peut atteindre des valeurs très élevées : entre 50 et 80 MPa à 28

jours. Au-delà de l'échéance de 28 jours, la résistance n'évolue plus guère. L’ajout de

fillers ainsi que l’augmentation d’éléments fins par action sur la courbe

granulométrique du mélange améliore la résistance. Les bétons projetés par voie sèche

contenant des granulats concassés ont donné des résistances élevées (toutes proches de

80 MPa) mais pour les bétons par voie mouillée, la différence n’est pas notable.

Les pièces des marchés ne comportent aucune exigence sur les valeurs de module. Les

valeurs obtenues sont différentes pour les deux modes de projection : 22 GPa pour les

bétons projetés par voie mouillée contre 36 GPa pour ceux projetés par voie sèche. Les

valeurs sont de plus très dispersées.

Les valeurs de traction par fendage sont égales à 5 et 7 MPA pour les bétons testés,

projetés respectivement par voie mouillée et par voie sèche. Ces valeurs sont

légèrement supérieures aux valeurs de résistance en traction calculées d’après les

formules BAEL à partir de la résistance en compression.

Le coefficient de Poisson des bétons projetés peut être pris égal à 0,2, comme pour les

bétons coulés.

La ductilité des bétons leur est conférée par les fibres métalliques. La dimension de

ces fibres influe directement sur les résultats : énergie absorbée, résistance maximale

ou résiduelle au poinçonnement-flexion. A dosage égale, les fibres les plus petites sont

celles qui ont donné les plus fortes énergies absorbées.

Il est possible d'atteindre de très fortes énergies absorbées (proches de 1 000 J) en

agissant sur le squelette granulaire ou par un choix judicieux de la dimension des

fibres ou de leur dosage. L'emploi de fumée de silice rend le comportement du béton

plus fragile.

Le fluage du béton projeté, pour les deux types de béton évalués pour chaque mode de

projection, est comparable au fluage des bétons coulés courants.

Les bétons projetés testés ont révélé une grande durabilité. Le comportement des

bétons soumis à fortes températures est correct. Le comportement au gel-dégel est bon

Conclusion


pour les deux modes de projection, les valeurs obtenues tangent parfois les seuils

admissibles pour la voie mouillée. Cette bonne durabilité est liée à la structure poreuse

favorable des bétons projetés.

L’évaluation de l’alcali-réaction des bétons projetés par voie sèche n’a pas permis

d’assouplir les recommandations vis-à-vis de l’emploi de granulats potentiellement

réactifs.

L'optimisation des bétons projetés par voie sèche, menée en prenant en compte les

critères de performances et en minimisant les pertes, donne l'avantage aux mélanges

contenant une forte proportion d'éléments fins (entre 23 et 25% d’éléments passant au

tamis de 160 µm).

Le choix des fibres lors de la projection est important. En voie mouillée, selon que l'on

répond à un critère économique ou performantiel, on choisira respectivement une fibre

de dimension standard ou une fibre plus petite.

Perspectives

Rechercher une caractérisation suffisamment complète des bétons projetés à la fois par voie

sèche et par voie mouillée dans le cadre d’un travail d’une durée de trois ans était un projet

ambitieux. On livre donc un travail précurseur dont le but est de dégrossir le domaine. Nos

travaux permettent cependant de conclure sur un certain nombre de questions. Ils ouvrent

également de nombreuses perspectives. Ainsi, différentes pistes sont exploitables.

On retiendra tout d’abord que la projection génère différents aléas qui limitent la

reproductibilité des résultats. Il serait intéressant de valider les résultats obtenus par de

nouvelles séries d’essais reproduisant les mélanges testés ou complétant la gamme déjà

couverte. La multiplicité des projections est la seule garantie de la validité des tendances

observées mais cela rend chaque expérimentation lourde à gérer et très coûteuse.

La multiplicité des résultats n’a pas permis une exploitation en profondeur dans le temps

imparti. L’analyse des résultats obtenus peut donc être reprise et complétée (comme c’est le

cas de l’analyse granulométrique), nécessitant parfois des campagnes expérimentales

complémentaires. Certaines données n’ont été que partiellement exploitées et peuvent encore

livrer des informations intéressantes sur le comportement des bétons projetés (les films

rapides réalisés sur les bétons ont été utilisé de maniètre qualitative et non quantitative -

évaluation des vitesses de projection). Des échantillons ont été conservés de manière à

permettre des analyses complèmentaires qui n’ont pu être entreprises lors de la thèse et

souvent par manque de temps (analyse de la structure des bétons par traitement d’images –

Conclusion


évaluation de la structure granulaire dans la masse, orientation et répartition des fibres). Les

différents résultats laissent donc la porte ouverte à des travaux ultérieurs.

Pour compléter la caractérisation obtenue des bétons projetés, il serait intéressant de continuer

les essais sur des thèmes particuliers comme par exemple l’évaluation du retrait de séchage du

béton.

La projection de bétons est lourde et donc les études sont peu courantes. Nous avons dû

limiter le nombre de compositions à tester pour des raisons pratiques et financières. Il serait

donc intéressant de reconduire ce type d’expérience pour alimenter la base de données déjà en

place et tester de nouveaux paramètres de formulation et renforcer les conclusions sur

lesquelles ce premier travail a aboutit. Dans ce même ordre d’idée, la présente étude n’a pas

permis d’aboutir à des conclusions sur des compositions innovantes contenant de fortes

teneurs en fibres (blocage lors de la projection par voie mouillée malgré un bon

comportement au pompage), une seconde série de campagnes ne pourrait se passer d’étudier

ce paramètre de formulation.

L’évaluation de l’influence du squelette granulaire sur les bétons projetés par voie sèche a

donné des résultats intéressants, il y aurait donc a reconduire cette démarche pour la

projection par voie sèche.

L’analyse des résultats en vue d’une optimisation du mélange a mis en évidence deux

compositions qu’il serait intéressant de soumettre à une projection de longue durée (projection

sur chantier) afin de valider le comportement de ces mélanges contenant une forte proportion

d’éléments fins à la projection et notamment vis-à-vis des phénomènes de colmatage et des

émissions de poussières. Ceci n’a malheureusement pas pu être réalisé durant la thèse.

L’exploitation des résultats obtenus a permis d’apporter des éléments de réponse sur :

• les caractéristiques pouvant être exigées pour le béton projeté,

• les paramètres de formulation et de projection influant sur la qualité des bétons,

• les moyens d’optimisation des bétons en rapport avec leur formulation,

• l’amélioration de la prise en compte de ces connaissances dans les calculs de

dimensionnement,

• la prise en compte des connaissances dans les textes de normes et de

recommandations,

• l’état des connaissances pouvant être considérées comme acquises, à démontrer ou

fausses.

Conclusion


On ne peut malheureusement pas répondre à tous ces objectifs (amélioration de la prise en

compte du module dans les calculs de dimensionnement). En revanche, les résultats obtenus

par le biais des deux campagnes sont déjà forts nombreux et permettent la mise en place d’une

base de données conséquente.

Bibliographie


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FOLIO ADMINISTRATIF

THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

NOM : GéRôMEY DATE de SOUTENANCE : 18 juillet 2003 Prénoms : Sylvie Pascale TITRE : Evaluation des paramètres d’obtention de la qualité des bétons projetés utilisés dans les soutènements provisoires, des revêtements définitifs, des réparations et des renforcements d’ouvrages NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : ISAL 0030 Spécialité : Génie Civil : Sols, Matériaux, Structures, Physique du bâtiment Cote RESUME : Le béton projeté est un matériau qui adhère et développe une résistance sur le support sans nécessiter de coffrage, ce qui le prédispose à des utilisations spécifiques (soutènement provisoire de tunnels, réparation d'ouvrages). La technique de projection reste très liée à l'empirisme tout comme la formulation des mélanges. Des règles existent mais ne permettent pas d'aboutir à une composition garantissant la qualité du béton en place. Pour améliorer l'état des connaissances sur le sujet, un programme expérimental a été établi dans le but d'obtenir des informations sur la projection des mélanges et les caractéristiques des bétons en place. Les résultats obtenus sont comparables à ceux de chantiers (conditions de réalisation). Ils corroborent ou remettent en cause certaines idées sur le sujet, précisent certaines tendances. Ils permettent d'obtenir des fourchettes de valeurs pouvant être attendues des bétons projetés, pour des grandeurs courantes ou plus spécifiques, comme la durabilité. Enfin certains des résultats obtenus sont utilisés dans le but de proposer une optimisation des mélanges à projeter en fonction de critères de choix justifiés.

MOTS-CLES : béton projeté, formulation, projection, expérimentation, fibres métalliques, essais mécaniques, durabilité Laboratoire (s) de recherches : URGC-Géotechnique - INSA de Lyon Directeurs de thèse: Pierre ROSSI Richard KASTNER Composition du jury : Gilles CHANVILLARD Patrice HAMELIN Marc JOLIN Richard KASTNER Catherine LARIVE Pierre ROSSI Alain MAGUET, invité

Evaluation des paramètres d'obtention de la qualité des ...

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