LA VIBRATION DES BETONS Document élaboré à l’attention des enseignants par le groupe de travail EFB Version finale du 12 octobre 2007

Pourquoi vibrer le béton…? Gravillons Sable Eau Le béton = granulats+ciment+eau+adjuvants+… air AIR adjuvants

Pourquoi vibrer le béton…? Obtenir un matériau homogène et le plus compact (ou serré) possible : minimum d’air, de vide, sans ségrégation Remplissage intégral des coffrages et des moules Sans vibration : les bulles d’air restent piégées au cœur de la pâte, le béton est foisonné. Nota : certains béton sont formulés pour être autoplaçants. Leur mise en œuvre ne nécessite donc pas de vibration. Ils se mettent en place sous le seul effet de la gravité

Pourquoi vibrer le béton…?  vibration Optimisation de la compacité la vibration transmise aux différents grains constituant le béton, se traduit par un déplacement de ceux-ci, selon un mouvement alternatif rapide et de faible amplitude. Ces mouvements internes développent des forces susceptibles de faciliter l’arrangement optimal des grains. Sous l’effet de forces dues à la pesanteur et à la pression exercée par la masse du béton, les grains tendent alors à adopter une disposition plus compacte, les grains les plus fins s’insérant entre les plus gros. Soumis à la vibration, le béton se comporte comme un corps plastique caractérisé par une certaine viscosité et dont l’abaissement du seuil de cisaillement (valeur minimale de la force assurant le déplacement d’une surface par rapport à une autre dans un fluide plastique) facilite l’écoulement. Lors de la vibration, l’énergie absorbée par le béton est d’autant plus grande que sa structure est plus aérée, les bulles d’air jouant un rôle d’amortisseur. Une fois serré, le béton absorbe moins d’énergie et en transmet plus. Plus la fréquence est élevée et plus les grains mobilisés par la vibration sont des grains de petits diamètres. Expulsion de l’air L’abaissement des forces de frottement (effet de liquéfaction du béton) rend prédominantes les forces de gravité. L’air, qui a une densité très faible par rapport à celle du milieu environnant, se trouve par contre soumis à une force ascensionnelle importante, qui tend à le faire remonter à la surface. Ce phénomène est nettement visible lors de la vibration. L’arrêt du dégagement d’air marque le moment où la vibration n’a plus d’effet sur le serrage du béton et peut même devenir néfaste en provoquant la ségrégation des granulats plus lourds par rapport à la laitance de ciment plus légère. Ce phénomène se trouve inversé avec les granulats légers qu’un excès de vibration peut faire remonter à la surface.

Pourquoi vibrer le béton…? Une vibration adaptée apporte : une densité du béton plus élevée, (donc une porosité plus faible) gain de résistance mécanique, meilleure durabilité du béton, une mise en œuvre plus aisée, meilleur remplissage des coffrages, meilleure esthétique des parements, bonne adhérence béton/armatures, Amélioration de la maniabilité La vibration a pour effet d’améliorer la viscosité du béton ; il y a donc tout intérêt à réduire l’eau de gâchage, (par exemple en utilisant un adjuvant) dont une partie importante n’est pas nécessaire à l’hydratation du ciment, mais sert uniquement à rendre le béton plus plastique. Une vibration adaptée permet donc la mise en place efficace de bétons fermes contenant peu d’eau et, qui, une fois durcis, ont l’avantage d’avoir une faible porosité. Sur le béton durci Les effets de la vibration sur le béton frais se traduisent par des caractéristiques améliorées : • une porosité réduite par l’effet cumulé du serrage, du départ de l’air et de la réduction d’eau nécessaire pour assurer la maniabilité du béton ; • une homogénéité améliorée par une vibration transmise à la totalité de sa masse ; • un retrait diminué ; • un enrobage efficace des armatures.

Comparaison vibré – non vibré :

Non vibré Vibré

la différence de poids entre les deux éprouvettes d’un même béton  béton non vibré m=1.7696Kg

pour le béton vibré m=2.384Kg

Les 3 procédés de vibration La vibration externe : Vibration transmise au béton par le coffrage ou par le moule La vibration interne : Vibration transmise directement dans la masse du béton par des aiguilles vibrantes La vibration de surface : Vibration transmise directement au béton par sa surface au moyen d’une règle vibrante

Matériel de vibration Vibrateurs internes : aiguilles vibrantes pneumatiques (Ø 25 à 150mm), électriques à moteur incorporé (Ø 25 à 90mm), mécanique (Ø 25 à 70mm). Les vibrateurs internes Simples et efficaces, couramment utilisés sur chantier, ils sont appelés aiguilles vibrantes et sont constitués par un tube métallique dans lequel la rotation rapide d’une masselotte excentrée produit la vibration. Différentes formes d’énergie sont utilisées qui conduisent à des conceptions différentes : pneumatique, électrique, thermique. La vibration doit être réalisée avec des aiguilles vibrantes de fréquence et de dimension adaptées Le diamètre des aiguilles usuelles varie de 25 à 150 mm. Leur fréquence est comprise entre 10 et 20 000 vib./mn. Une aiguille doit être choisie en fonction de sa masse qui la rend plus ou moins manoeuvrable et d’un diamètre compatible avec l’espacement des armatures entre lesquelles elle doit pouvoir facilement se positionner. Les principaux critères de choix restent le volume du béton à vibrer et sa granulométrie. Les aiguilles de 40 à 70 mm sont plutôt utilisées pour des bétons courants et des volumes n’excédant pas 10 m3 et dont le diamètre du plus groos granulat est inférieur à 25 mm. Les aiguilles de plus de 70 mm sont utilisées pour des volumes de 10 à 30 m3 de béton avec de fortes granulométries.

Matériel de vibration Vibrateurs externes Vibrateurs de surface pneumatiques, électriques. à utiliser suivant des modes opératoires précis Vibrateurs de surface règles vibrantes de surface ‘lisseuses’ ne dispensent pas d’une vibration dans la masse Les vibrateurs externes Les vibreurs de coffrage sont installés à l'extérieur du coffrage. Les vibrations sont transmises successivement au coffrage et au béton. La vibration externe ne se transmet au béton que sur une faible épaisseur. Cette méthode n'est donc intéressante que dans deux cas : Quand la somme des sphères d'influence des parois mises en vibration est plus grande que l'épaisseur de la couche de béton frais se trouvant entre ces parois. Vu les dimensions limitées de ces sphères d'influence, ce procédé est donc adapté au serrage d'éléments de construction hauts et à parois fines (parois, colonnes, poutres), qui sont difficiles à vibrer autrement. Quand la densité des armatures à l’intérieur des coffrages est trop importante. De même que les aiguilles, les vibrateurs de coffrages utilisent le principe de la vibration produite par la rotation d’une masselotte excentrée. Fixés sur les coffrages, les vibrateurs imposent que ceux-ci soient suffisamment lourds et rigides pour ne pas se déformer et transmettre la vibration de façon homogène. La fréquence de vibration des vibrateurs électriques est le plus souvent de 3 000 ou 6 000 vib./mn. Les vibrateurs pneumatiques atteignent des fréquences plus élevées : entre 10 000 et 15 000 vib./mn. La profondeur de béton intéressée par la vibration ne dépassant pas généralement 20 à 25 cm, ce type de vibrateurs est réservé à des pièces d’épaisseur moyenne : murs, voiles, poteaux, poutres. L’emplacement des vibrateurs et le temps de vibration sont plus délicats à déterminer, car les paramètres sont nombreux : la nature du moule ou du coffrage, la forme de la pièce, le volume du béton et sa composition. L’expérience, des essais préalables, ainsi que l’assistance des fabricants de vibrateurs sont le plus souvent nécessaires pour obtenir les meilleurs résultats. Les vibrateurs de surface Les vibrateurs de surface permettent de transmettre la vibration à partir d’une règle ou d’une poutre déplacée sur la surface du béton. Ces vibreurs sont intéressants pour le serrage d’éléments horizontaux de faible épaisseur (15 à 20 cm au maximum). tels les dalles de béton, les couches de roulement, etc. L'amplitude doit être suffisante pour garantir une efficacité en profondeur. Le poids de la poutre (ou de la plaque) vibrante, le moteur vibrant et le nombre de vibrations à apporter par unité de longueur au béton à serrer sont autant d'autres paramètres déterminants. Le vibrateur est fixé sur la règle qui doit présenter une rigidité et une inertie suffisantes.

Vibration avec les aiguilles vibrantes Paramètres importants Le diamètre de l’aiguille est : déterminé en fonction des dimensions de l’élément, limité en fonction de la densité et de l’espacement des armatures (prévoir éventuellement des cheminées!), La masse de l’aiguille : l’aiguille doit pouvoir s’enfoncer sous son propre poids dans le béton frais, la masse doit donc être adaptée en fonction de la consistance du béton.

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Paramètres importants (suite) La fréquence de vibration de l’aiguille : la fréquence idéale varie suivant la taille des granulats, gravillons et graviers  basses fréquences (10000 tr/mn), sables, ciment et fines  hautes fréquences (20000 tr/mn), La longueur de l’aiguille : elle ne doit pas dépasser l’épaisseur de la couche de béton, généralement de 30 à 50 cm Les 2 facteurs essentiels de la vibration sont la fréquence et l’énergie. Énergie L’énergie transmise au béton par le vibrateur est proportionnelle à la masse du balourd en rotation, à son excentricité et au carré de sa vitesse. Elle caractérise l’efficacité d’un appareil et doit être la plus élevée possible, tout en restant compatible avec la taille du vibrateur. Fréquence La fréquence optimale varie suivant la taille des granulats. Une fréquence basse (environ 10 000 tr/mn) favorise la vibration des gros granulats, une fréquence élevée (environ 20 000 tr/mn) celle des éléments plus fins. Amplitude C’est un paramètre qui détermine en particulier le déplacement des constituants du béton durant une demi-vibration, mais sa mesure est délicate. On peut cependant dire qu’une trop forte amplitude favorise la ségrégation, surtout avec un béton mou. On a donc intérêt à la limiter et à privilégier l’augmentation de la fréquence.

Vibration avec les aiguilles vibrantes Règles usuelles générales 1/3 Limiter la hauteur de chute du béton Epaisseur des couches de béton : 30 à 50cm Vibrer le béton avant le début du durcissement Maintenir une vitesse de bétonnage aussi constante que possible Ne pas vibrer plus longtemps que nécessaire Introduire rapidement l’aiguille dans la masse Immerger l’aiguille verticalement ou sous un angle faible Repiquer la couche inférieure sur 10 à 20 cm Ressortir l’aiguille d’autant plus lentement que le béton est ferme Le trou laissé par l’aiguille doit se refermer lors de la remontée

Vibration avec les aiguilles vibrantes Règles usuelles générales 2/3 Ne jamais mettre en contact direct l’aiguille avec les armatures ou le coffrage (risques d’apparitions de fantômes d’armatures, de ségrégation, de ressuage), Éviter de laisser le vibreur en marche s’il n’est pas dans le béton (détérioration prématurée), Eviter la mise en place et la vibration du béton sous forte pluie pouvant entraîner un « lavage » des granulats un excès d’eau du béton de surface.

Vibration avec les aiguilles vibrantes Règles usuelles générales 3/3 Ne pas utiliser l’aiguille pour déplacer le béton (entraîne de la ségrégation), Ne pas vibrer directement le béton d’enrobage (risque de mauvais serrage dans la masse), Respecter un maillage d’introduction du vibreur  pas de poste fixe !

Risque lié à une vibration trop longue du béton

Vibration avec les aiguilles vibrantes la vibration : une succession de zones concentriques • la zone périphérique déjà serrée et désaérée ; • une zone en cours de plastification qui absorbe la totalité de l’énergie au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la source vibratoire ; • une zone qui n’est plus accessible à la vibration, car elle ne reçoit pratiquement plus d’énergie. Les deux premières zones constituent le rayon d’action de l’aiguille vibrante.

Vibration avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Choix du diamètre de l’aiguille : D diamètre d’action de l’aiguille = 10 x d Δ espacement entre deux points d’introduction de l’aiguille : 8 à 9 x diamètre de l’aiguille d diamètre de l’aiguille : d = e/7 (e=épaisseur du voile) d’où D = 1,4 e et Δ = 0,85 D Epaisseur du voile (cm) Diamètre de l’aiguille (cm) 20 3 25 3,5 30 4

Vibration avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Choix du diamètre d de l’aiguille : Exemple : voile de 20 cm, d=? D = 1,4 x e = 28cm D =0,85 x D banches e=20 cm = 25 cm béton  diamètre d’action D souhaité : 1,4 x 20 = 28 cm (environ) diamètre d idéal de l’aiguille : 28 mm  d=30mm

Attention aux « fantômes » de coffrage D=25mm e=25cm manque de vibration si respect écartement 8,5xd survibration si points d’introduction trop rapprochés D=35mm e=25cm Δ=8,5xd manque de vibration compensé par survibration coffrage D=50mm e=25cm Attention aux « fantômes » de coffrage > 8,5 d grande partie de l’énergie dans le coffrage!, augmenter l’espacement Δ

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Choix du diamètre de l’aiguille : Exemple : voile de 30 cm, d=40mm Zone d’action du vibreur Zone vibrée ép.: 50 cm maxi Descendre le vibreur de 10 à 15 cm dans la couche précédente assure une meilleure homogénéité de l’ensemble des couches 10 x d

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Choix du diamètre de l’aiguille : ! ATTENTION ! si l’aiguille est trop petite, il faudra avoir un espacement plus serré, donc perte de temps. si l’aiguille est trop grosse, une grande partie de l’énergie passe dans le coffrage (pertes!) et la vibration du coffrage peut créer des défauts de parement.

Éléments verticaux Vibration par couches : couches de 30 à 50 cm, pénétration dans la couche inférieure de 10 à 15 cm, La première couche doit être vibrée plus longtemps, Attention les cotes du schéma sont en m

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Remontée de l’aiguille : lorsque le béton ne tasse plus, quand les bulles d’air ne remontent plus à la surface lorsque la surface commence à briller (remontée d’eau, début de ressuage) quand le bruit émis par le vibrateur se stabilise. Attention : dans un béton survibré il y a risque de ségrégation. Le temps de vibration lié à la nature du béton (granulométrie, consistance), au volume à vibrer, à la densité de ferraillage, varie également en fonction du type de vibrateurs et de leur puissance. Certains indices permettent d’apprécier le moment requis pour arrêter la vibration : • le béton cesse de se tasser ; • le dégagement de bulles d’air s’arrête ; • la laitance apparaît en surface. La détermination du temps de vibration est importante, car s’il est trop court, le béton est insuffisamment serré, s’il est trop long, il peut entraîner une ségrégation de ses constituants. Les effets de la vibration en fonction du temps se caractérisent par une action rapide qui diminue très vite, une fois obtenus l’arrangement des grains et l’expulsion de l’air. A titre indicatif, les temps nécessaires à la vibration d’un volume de béton (en pervibration : temps où l’aiguille est laissée au même emplacement) sont de l’ordre de : • 5 secondes pour les bétons mous ; • 20 secondes pour les bétons plastiques ; • 1 minute pour les bétons fermes.

Éléments verticaux Vibration autour d’une réservation de fenêtre : couches de béton d’environ 50 cm, vibrer d’un seul côté jusqu’à apparition du béton de l’autre côté (remplissage correct en sous face), risque de poche d’air si remplissage de part et d’autre de la réservation. Vibration d’un voile comportant une ouverture en réservation. Dans le cas de réservation telle qu’une ouverture de fenêtre par exemple, on vibrera par couche de 50 cm d’un seul côté (1) jusqu’à l’apparition du béton de l’autre côté (2), s’assurant ainsi que la partie inférieure (3) est bien remplie. Si le béton est coulé des 2 côtés, il y a risque en partie inférieure (3) de création de poche d’air.

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Vibration autour d’une réservation de porte : couches de béton d’environ 50 cm, remplir et vibrer simultanément des deux côtés, réservation pour porte ou ouverture pleine Vibration d’un voile comportant une porte en réservation. Dans le cas de réservation d’une porte, le béton n’a pas à remplir de cavité en partie basse ; on coulera et on vibrera comme indiqué précédemment mais régulièrement de chaque côté. • poteaux et piles On peut appliquer les critères précédents entre autres pour les épaisseurs de couche et la pénétration sur une épaisseur de 0,10 à 0,15 cm de la couche inférieure.

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments verticaux Points particuliers à soigner : répartition homogène des agents démoulants sur le coffrage, sur une épaisseur minimale, descendre la manche à béton le plus possible, de manière à éviter les projections, la dernière couche de béton doit être vibrée légèrement plus longtemps. Attention : il peut y avoir une interaction entre l’agent de démoulage et la vibration puisque les bulles d’air remontent le long du coffrage. Ce point doit être vérifié et si besoin il faut changer d’agent de démoulage.

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments horizontaux La longueur du corps vibrant de l’aiguille peut être légèrement supérieure à l’épaisseur de béton à vibrer, à condition d’incliner l’aiguille (45° maxi) L’aiguille vibrante ne doit pas servir à déplacer le béton latéralement ou à le repousser dans les angles du coffrage. Nota : il existe des vibrateurs à corps vibrant court, de plus gros diamètre. Leur puissance est identique à celle d’un vibreur plus long.

Mise en œuvre avec les aiguilles vibrantes Éléments horizontaux Le principe de calcul d’espacement des introductions est le même que pour les éléments verticaux Il ne faut pas traîner l’aiguille dans le béton au risque de provoquer ressuage et ségrégation • L’épaisseur de l’élément à vibrer peut être inférieure ou sensiblement égale à la longueur du corps vibrant du vibrateur interne. La solution consiste à plonger celui-ci en position inclinée sans pour autant dépasser une inclinaison de l’ordre de 45 °. Dans le cas d’éléments de faible épaisseur, utiliser des vibrateurs à corps vibrant court qui à puissance identique présentent un diamètre plus fort que celui des vibrateurs courants. • Le ou les vibrateurs doivent passer aisément entre les mailles du ferraillage. • Les intervalles entre points d’immersion du ou des vibrateurs se calculent comme dans le cas de la vibration des éléments verticaux. • Les zones d’action du vibrateur doivent s’entrecroiser. • La pratique qui consiste à traîner l’aiguille à l’horizontale est à proscrire (elle est génératrice de ressuage et de ségrégation). d x 1,7

Règle vibrante efficace sur 12 à 15 cm Éléments horizontaux Règle vibrante efficace sur 12 à 15 cm Ce matériel sert essentiellement à “dresser” la surface de l’ouvrage ; les règles vibrantes sont bien adaptées aux travaux de dallage ou de voirie. Elles ont une action de serrage du béton réduite à quelques centimètres d’épaisseur et, dans la plupart des cas, nécessitent une prévibration du béton à l’aide de vibrateurs internes. Conseils d’utilisation : - Placer les guides de niveau. - Tirer la règle régulièrement et, si le béton s’amasse devant, le retirer ou l’épendre.

Éléments horizontaux Règle vibrante «lisseuse» : efficace sur 5 cm!

Loi de Feret Kg : coeff. dépendant des granulats Rc classe vraie du ciment terme au carré : compacité de la pâte Ve = volume d’eau Vc = volume de ciment Vv = volume d’air La loi de Feret donne la relation existant entre la porosité de la pâte de ciment et la résistance du béton. Si on néglige Vv : fc = Kg Rc / (1 + 3,15 e/c)2 avec e = masse d’eau/m3 et c = masse de ciment/m3

Durabilité Plus le béton est résistant, moins il est poreux et plus il est difficile aux chlorures de pénétrer. CV = cendres volantes EA = agent entraineur d’air FS = fumee de silice