Technologie avancée de béton K.H....

Technologie avancée de béton K.H. Khayat

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Conférences Master 1

PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS

• Notions fondamentales de la rhéologie• Mesure de rhéologie des coulis de ciments et de bétons• Maniabilité et la stabilité de béton

BÉTONS SPÉCIAUX

• Les bétons autoplaçants• Les bétons à haute performance• Rhéologie et maniabilité des bétons coulés sous l’eau

Kamal H. Khayat

Notions fondamentales de rhéologie

La rhéologie est la science de la déformation et de l’écoulement de lamatière.

Le comportement rhéologique d’un corps est la manière selon laquelleses déformations correspondent aux contraintes de cisaillementimposées.


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Coulis d’injection dd1

2μdiγ

Vmaxc

22

τ0

P.2dL

Objectifs de l’étude de la rhéologie

• Estimer le système de forces nécessaire pour causer une déformation donnée

• Prédire les déformations causées par une condition de chargement donnée

W/C = 1 60 min

No VMA VMA


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rSP + VMA fluidity+ stability


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La rhéologie est l’étude de la déformation et de l’écoulement de la matière

Un corps se déforme s’il subit des changements deforme et de dimensions sous une chage appliquée (F).

Un corps s’écoule si le degré de déformation changecontinuellement avec le temps.

NOTIONS FONDAMENTALES DE RHÉOLOGIE

F V (t)X

F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa

A = 1 m2

= Contrainte de cisaillement

1 m

La contrainte de cisaillement indique la force par unité de surface nécessaire pour causer le cisaillement du fluide. mesuré en Pa, dynes/cm2 …


5

V = 1 m/s

X

F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa

A = 1 m2

dV/dX = 1 m/s/m= 1/s

Taux de cisaillement = (s-1) = Contrainte de

cisaillement

1 m

Taux de cisaillement : le gradient de vitesse est une mesure de la variation de vitesse entre deux couches d’un fluide. est mesuré en m/s/m ou en s-1.

V = 1 m/s

X

F/A = 1 N/1 m2 = 1 Pa

A = 1 m2

dV/dX = 1 m/s/m= 1/s

1 m

Viscosité = = / (Pa.s)

La viscosité est la mesure de la résistance interne à l’écoulement

Taux de cisaillement = (s-1) = Contrainte de

cisaillement


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2. Fluide viscoplastique

Un fluide peut afficher un comportement viscoplastiquesi nous devons exercer une contrainte de cisaillement >certaines contraintes minimales (seuil d’écoulement)pour déclencher l’écoulement.

= tg

dv/dz

xy0

Fluide exclusivementvisqueux

Fluideviscoplastique

Si le seuil d’écoulement n’est pas dépassé, le fluide se déforme d’une façon élastique (corps solide).

Principes rhéologiques

Loi de Newton

D

Con

trai

nte

de

cisa

illem

ent

(

Coefficient de viscosité (

Coefficient de viscosité plastique (

Taux de cisaillement (D)

Seuil d’écoulement(

Loi de Bingham

D0

Single Point

Taux de cisaillement (D)

Con

trai

nte

de

cisa

illem

ent

(


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Matériaux ayant un seuil d’écoulement

Les matériaux ayant un seuil d’écoulement ne s’écoulent pas au repos

Facteur d’approximation pour une courbe d’écoulement

Rés

ista

nce

au

cis

aill

emen

t τ

γTaux de cisaillement

Fonction du modèle de Bingham

τ = τ0 + μ γ

μ Viscosité plastique

τ0 Seuil d’écoulement


8

1200100080060040020000

40

80

120

160

200

Taux de cisaillement (1/s)

Rés

ista

nce

au

cis

aille

men

t (P

a) = 16.04 + 0.12 R2 = 0,995 = 0.07 + 0.04 R2 = 0,998

VMA = 0.05%

VMA = 0%

W/C = 0.40HRWR = 1%

Le coulis de ciment se comporte généralement comme un fluide de Bingham


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La viscosité apparente est mesurée par un rhéomètre à un taux de cisaillement donné

Taux de cisaillement (s-1)

Con

trai

nte

deC

isai

llem

ent

(Pa)

Seuil decisaillement

Viscosité apparente

Viscosité plastique

Viscosité = = /

10 00010001001

0

0,5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Taux de cisaillement (1/s)

Vis

cosi

té p

aare

nte

(Pa.

s)

VEA = 0%

0.03%

0.05%E/C = 0.40HRWR = 1%

Comportement pseudoplastique


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Temps de cisaillement

Vis

cosi

té

Thixotropie – variation de la viscosité avec le temps à un taux de cisaillement

constant (resersable (?))

Taux de cisaillement constant

Écrasement de la structure

Barnes et al. [1989] a decrease in time of viscosity under constant shear stress or shear rate, followed by a gradual recovery when the stress or shear rate is removed

Thixotropy

Time

= constshear rate

= 0.03 s-1sample at rest

Sh

ear

stre

ss

Recovery at very low shear rate


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Besoin de s’appuyer sur les principes rhéologiques

0

200

400

600

0 5 10 15 20 25

Temps (s)

Vis

cosi

té (

Pa.

s) Période de repos = 4 minutes

N = 0.9 tour/s

Période de repos= 2 minutes

Thixotropie (degré de restructuration) = f (t, t ’)t = temps écoulé t’ = période de repos

SCC


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Co

ntr

ain

te d

e ci

saill

emen

t (P

a)

0

200

400

600

800

0 5 10 15 20 25

Temps (s)

0.3 t/s

0.5 t/s

0.7 t/s

N = 0.9 t/s

0

200

400

600

800

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Vitesse de rotation (t/s)

Initial

Equilibre

Secteur de rupture?(J/m³.s)

dNvsvs ei )N . N . ( 9.0

3.0

Évaluation de la thixotropie

Lateral pressure measurements

H = 2.1 m, d = 0.2 m

Casting rate = 10 m/hr

5 pressure transducers (100 KPa capacity)


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Effet de la tête (?) du béton

76

80

84

88

92

96

100

100 200 300 400 500 600

Thixotropie: Breakdown area at T1 (J/m³.s)

P( m

ax

imu

m)

/ P( h

ydro

stat

iqu

e)to

ut

de

suit

e ap

rès

la m

ise

en p

lace

(%

)

Taux de mise en place = 10 m/hr

1.0 m

2.8 m

Coffrages en PVC de 2.8-m de haut

Description du projet

Coffrages en bois

7 capteurs de pression

0.4% renforcement

Taux de coulage ~ 6 to 9.5 m/h


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Diagramme typique de pression de coffrage

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100 120

Pression développée sur le coffrage (kPa)

Hau

t d

u b

éto

n (

m)

Pression hydrostatique

Affaissement = 720 mm Rapport sable/granulat total = 0.50Ciment ternaire = 475 kg/m³ e/mc = 0.40

Taux de coulage = 6.5 m/h

Tout de suite après le coulage

1 h3 h

P(max)

Cylindre coaxial avec pales sur les cyclindres intérieurs et extérieurs.

Mesure du torque sur le cylindre intérieur pendant que le cylindre extérieur tourne à des taux de rotation variables

Convertit les données en unités fondamentales basées sur la géométrie des champs de cisaillement

Rhéomètre BML


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)(

)/(2

2

3

41

42

31

32

00

RR

h

RR

linestraighterimentalexp

theofslopandoriginatordinate/and

partrotatingtheofvelocityangular

samplethetoappliedtorque

sampletheofpartshearedofheighth

apparatusofradiioutsideandinsideRandR

itycosvis

stressyieldshear

where

0

21

0

Z

Y

X

h

R1

r

R2

R2

BT-Rheom

Corrélations entre le seuil d’écoulement des rhéomètres

Corrélations linéaires pour les seuils d’écoulementDans chaque cellule, les coefficients de l’équation Y=AX +B sont montrés

A;B BML BTRHEOM IBB

BML 1.85; 300.9 0.008; 0.334

BTRHEOM 0.50; -122.0 0.004; 0.91

IBB 79.7; 126.2 155.3; 504.3

BML vs. IBB: BML 0 (Pa) = 79.7 g (N.m) + 126.2


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Seuil d’écoulement –formule de slump flow

•0 = 240 – 1/3*Écoulement

– Écoulement > 400 mm

BML

0 = 1000 – 3.5*Affaissement

Affaissement > 50 mm

Viscosité de diverses suspensions

Eau 0.001 Pa.s (1 cP)

Coulis de ciment 0.1 – 1.5 Pa.s

Mortier 3 – 10 Pa.s

Béton 10 – 100 Pa.s


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50-10020-100201-30.01-1Viscosité plastiqueN.s/m2 (Pa.s)

500-200050-10040080-40010-100Seuil d’écoulementN/m2 (Pa)

BétonBAPBéton fluideMortier Pâte de ciment, coulis

Matériau

Rhéomètre BML

Pâte de ciment

e/c 0.60 0.50 0.32

Vc 0.35 0.39 0.50

pâte (Pa.s) 0.49 0.90 17.4


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Exemple

V1ηη sc

1

pâte

3.40μ0.57

mortier

Pa.s3.54ηmortier

e/c = 0.55, s/c = 2.0 , F.M. de 3

Exemple

0.2613.54η 0.566

1 9.3160.89

béton

Pa.s4140.7ηbéton

Rapport sable/granulat de 0.54,granulat broyéSelon Table 2, Vca = 0.26


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Résumé

Pour 0.55 e/c, Cca = 0.566,

Csable = 0.646 Cciment = 0.55

Pa.s41ηbéton

Pa.s3.54ηmortier

Pa.s0.40η

pâte

Rheology of matrix must be controlled to avoid

particle segregation.

low yield value and viscosity

Static stability after casting


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Stability after casting : static stability

P

F gravitational = m p . g = p . V p . g F bouy. = m matrix . g = matrix . V p . g

F buoyant = g . m . V p

F down = F grav. - F buoy.

= . g . V p

matrix

Pto avoid segregation

F restoring = F drag ≥ F down

y . A p ≥ . g . V p

y ≥ 2/3 g (p m) p

F restoring

Segregation resistance under at rest is dependent on yield stress and matrix density

Sufficient viscosity to ensure uniform flow through closely spaced obstacles

Dynamic stability during casting


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Facteurs affectant l’ouvrabilité

• Teneur en eau• Teneur en pâte• Finesse et forme des granulats

– Sand fraction– Module de finesse

• Finesse du ciment– Les ciments fins requièrent plus d’eau, plus grande flocculation

Agents dispersants– SP, AEA, VEA, et autres

• Temps et Température• Vibration

Teneur en ciment

Teneur en ciment

Volume de pâte

Plus de pâte pour remplir les espaces entre les granulats et pour augmenter la distance

entre eux


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Teneur en ciment (BAP)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

400 450 500 550

Yie

ld s

tres

s (P

a)

Cement content (kg/m3)

w/c = 0.40

Teneur en ciment (BAP)

0

5

10

15

20

25

30

400 420 440 460 480 500 520 540 560

Cement content (kg/m3)

Pla

stic

vis

cosi

ty (

Pa.

s)

e/c = 0.40


23

Volume de pâte

Volume de pâte


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Caractéristiques du ciment

Finesse

Pour une ouvrabilité donnée,

demande en eau

Pour une teneur en eau

donnée, ouvrabilité

ou

Paste

Finesse du ciment

Mortier


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Finesse du ciment

Teneur en eau

Teneur en eau

Concentration en solides

Moins de résistance à l’écoulement

Une haute teneur en eau peut causer de la ségrégation !

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