Projet RGC&U : Bétons Fluides LMT – ENS de Cachan/Paris 6/CNRS Rhéologie et Stabilité des Pâtes de ciment utilisées dans la formulation des Bétons Fluides Projet RGC&U : Bétons Fluides PHAN Trung Hieu Secteur : Génie Civil et Environnement LMT – ENS de Cachan/Paris 6/CNRS 19 janvier 2007 – EDSP de Cachan

INTRODUCTION Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Bétons auto-plaçants, auto-nivelants ou plus généralement «bétons fluides» apportent des solutions pour l’auto-mise en œuvre : Pâte et mortier assez fluides pour l’auto-plaçance. Assez consistants pour éviter ségrégation, sédimentation… Grâce aux différents additifs minéraux (fillers…) et organiques ( SP, AV…) Formulation délicate et composition multi-échelle → comportement rhéologique complexe . Contradictoire

Deux propriétés importantes du Béton fluide Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Fluidité, Ouvrabilité Stabilité/Sédimentation, Ressuage Superplastifiants « Adjuvants » minéraux Polycarboxylates (ou PCP) 1980 Polymères combinés Répulsion électrostatique et stérique Fillers calcaires, cendres volantes, fumées silices… _ Parle plus sur les figures, coule a travers le milieu très ferraillage Alors, on se perçoit qu’il y a deux propriétés importants pour des BF, ce sont: Premièrement, c’est la fluidité qui est assuré par le superplastifiant comme PCP, ce sont des polymères combinés qui réagir sur des grains par la force répulsion élec.st. et stérique; ou DPE , c’est un chaine unique qui réagir sur des grains par la force stérique. Deuxièmement, c’est la stabilité vis-à-vis la sédimentation ou ressuage qui est assuré par : Soit, adjuvants minéraux... Soit, adjuvants organiques… Adjuvants organiques Phosphonates (ou DPE) 1990 Agent viscosant : Foxcrete, gomme walan, amidon, polysaccharide… _ Chaîne unique Répulsion stérique

PROBLEMATIQUE 2 écoles pour la formulation des BFs Agents Viscosants Organiques (Ecole INSA-Lyon) « Ajouts Viscosants » minéraux (Projet National B@P) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Objectif : Bétons très fluides (BAN) + formulation Robuste Inconvénient : propriétés mécaniques + durabilité médiocres Objectif : B@P Inconvénient : Viscosité élevée + non-robustesse Idée : Conciliation de ces deux aspects afin d’élargir la problématique de l’étude et ainsi de rechercher des solutions générales grâce à une approche globale.

Commençons par la pâte de ciment (PAP)… Résolution Optimisation des constituants du béton (ciment, eau, adjuvants et granulats) Béton = phase granulaire + phase visqueuse (pâte de ciment) La mobilité des granulats (donc l’ouvrabilité du béton) est conditionnée par Les frottements entre grains (forme des grains, l'état de surface...). Les propriétés rhéologiques de la pâte (PAP) (Seuil, viscosité...). Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives a) ΔH b) ΔH Ecoulement visqueux de la pâte entre les grains en mouvement Contact solide entre grains, frottement plus ou moins lubrifiés H Affaissement mesuré au cône Commençons par la pâte de ciment (PAP)…

Optimisation de la pâte de ciment… Propriétés rhéologiques d’une pâte de BF? Seuil faible pour faciliter l’écoulement Consistance optimale pour éviter la ségrégation et le blocage. OBJECTIFS de la thèse: Etudier l’influence des divers composants de la pâte de ciment à savoir : Le superplastifiant en fonction : De la nature du polymère: pour son pouvoir dispersant dans le temps Du dosage jusqu’à saturation: pour remplacer l’eau tout en évitant un excès qui peut mener au ressuage. L’agent de viscosité en fonction : Du dosage pour obtenir une formulation robuste vis-à-vis de la variation du dosage en eau Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

EXPERIMENTATION PAP Stabilité Rhéologie Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Influence des adjuvants sur la rhéologie La filtration Le blocage… La viscosité Le seuil d’écoulement La thixotropie…

Formulation Pâte PAP référence (E/C=0,33): formulation INSA-Lyon (Ambroise-Pera) 10 20 300 330 1000 AV (Foxcrete) (g) SP (Glenium27) (g) Eau (ml) Filler Calcaire (g) Ciment Portland Influence du dosage en SP et en AV (par rapport à PAP référence) Dosage en SP : • Dosage en AV : PAP – 40%sp (1,2g SP/ 100g ciment) PAP – 40%av (0,6g AV/ 100g ciment) PAP – 20%sp (1,6g SP/ 100g ciment) PAP + 40%av (1,4g AV/ 100g ciment) PAP + 20%sp (2,4g SP/ 100g ciment) PAP + 40%sp (2,8g SP/ 100g ciment) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Procédure de fabrication de la PAP: Expliquer plus détaille les tableaux 2 4 0,5 5 Temps (mn) Malaxage vitesse rapide faible vitesse Eau+SP+AV ( ajout) Ciment+Fines (mélange) Etapes

Mesures de thixotropie PLAN EXPERIMENTAL Mesures rhéologiques Viscosités apparentes Viscosités à l’état stationnaire Influence du SP sur la viscosité Influence de l’AV sur la viscosité Mesures de thixotropie Reprise de la viscosité Influence du SP sur la reprise de viscosité Influence de l’AV sur la reprise de viscosité Essai d’écrasement Comportement d’écrasement des pâtes Régime d’écoulement de la PAP Zone d’ouvrabilité des pâtes en modifiant SP et AV Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

Mesures de thixotropie PLAN EXPERIMENTAL Mesures rhéologiques Viscosités apparentes Viscosités à l’état stationnaire Influence du SP sur la viscosité Influence de l’AV sur la viscosité Mesures de thixotropie Reprise de la viscosité Influence du SP sur la reprise de viscosité Influence de l’AV sur la reprise de viscosité Essai d’écrasement Comportement d’écrasement des pâtes Régime d’écoulement de la PAP Zone d’ouvrabilité des pâtes en modifiant SP et AV Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

I. Mesures rhéologiques: (µ ; t) = f (γ , ajouts, t) Viscosimètre rotatif : Substance placée entre 2 cylindres dont l’un subit une rotation par rapport à l’autre. On peut effectuer 4 types de mesures: à vitesse de cisaillement imposée à contrainte τ imposée à 0,02 Pa près à déformation imposée à 1µm près oscillations Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives C W Déterminer : Viscosité apparente µ et contrainte de cisaillement en fonction du temps et du taux de cisaillement . Seuil de cisaillement τ0 Propriétés de thixotropie Donner définition de la thixotropie + schéma

3 1 2 Viscosité apparente Reprise de la Viscosité Viscosité apparente (Pa.s) 3 Reprise de la Viscosité 1 2 Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Comportement en cisaillement dans un cycle de montée-descente-remontée de la pâte PAP de référence : (●) montée ; (□) descente ; (▲) remontée. Viscosité apparente dépend du taux de cisaillement et du temps. Viscosité décroissante puis constante Rhéo-épaississante aux grandes vitesses et rhéo-fluidifiante aux faibles vitesses. Reprise de viscosité aux faibles taux de cisaillement → Comportement thixotropique.

Viscosité à l’état stationnaire Pâte de ciment ↔ caractéristique rhéologique évolutive Viscosité à l’état stationnaire Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Schéma de la procédure de la charge pour mesurer la viscosité transitoire Schéma pour déterminer le comportement rhéologique

Viscosité transitoire Comportement rhéologique transitoire de la pâte de ciment (référence) pour des vitesses : (●) 0.5 s-1 ; (□) 5 s-1 ; (▲) 30 s-1 Viscosité augmente à cause de l’hydratation aux faibles taux de cisaillement Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Viscosité stationnaire Comportement rhéologique transitoire de la pâte de filler. (●) 0.5 s-1 ; (□) 1 s-1 ; (▲) 2 s-1.

Comportement à l’état stationnaire 3 Zones : -Rhéofluidifiante (pâte floculée) -Newtonienne : Pâte complètement défloculée -Rhéoépaississante : dilatance ? Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Comportement rhéologique en régime établi dans le cas de la pâte référence

Effet du SP sur la viscosité des pâtes PAP Seuil et viscosité x 2 ordres de grandeur! Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Optimum du dosage en SP ? (●) Pâte de référence ; (▲) PAP-20SP ; (□) PAP-40SP ; (■) PAP+20SP ; (∆) PAP+40SP.

Effet du SP sur la viscosité des pâtes PAP: Interprétation Pâte = suspension granulaire Loi de Krieger-Dougherty : Concentration volumique (%) Viscosité relative (µ/µo) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives μo: viscosité du fluide suspendant [η]: viscosité intrinsèque de la pâte : [η] =2.5 pour des sphères mono-disperses en régime dilué ф: concentration volumique solide фM: fraction volumique solide d’empilement maximum des grains (ici : flocs) Loi pour un fluide newtonienne? Taux cisaillement donné. (◊) φM =0.5 ; (□) 0.55 ; (∆) 0.6 ; (◊) 0.65. μ фM SP taille des flocs

Effet du AV sur la viscosité des pâtes PAP ±40% en AV consistance faiblement modifiée, (< 2 fois) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives (□) Reference paste ; (●) PAP-40 AV ; (▲) PAP+40 AV.

Effet du AV sur la viscosité des pâtes PAP : Interprétation Loi de Krieger-Dougherty Concentration volumique (%) Viscosité relative (µ/µo) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives AV ne modifie que μ0, or le terme granulaire est dominant (◊) φM =0.5 ; (□) 0.55 ; (∆) 0.6 ; (◊) 0.65. AV joue un rôle mineur sur la viscosité de la pâte

Comportement rhéologique de la phase liquide Dosage dans la formulation > 3% la viscosité de l’eau x 100! Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Stabilité/sédimentation et ressuage (●) 20% ; (□) 10%; (▲) 0,5% .

Modèle rhéologique Herschel-Bulkley k, n sont fonction de la gamme de taux de cisaillement σy : seuil de cisaillement k : consistance n: indice de fluidité Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

Comparaison entre SP et AV Influence du dosage en SP sur les paramètres rhéologiques P+40%SP P+20%SP Reference P-20%SP P-40%SP Seuil cisaillement (Pa) 0,1366 0,3757 0,6331 1,8008 7,6995 Consistance (Pa.s) 0,5867 1,1203 1,612 2,5637 10,272 Indice de fluidité 1,1388 1,0207 0,96 0,855 Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Influence du dosage en AV sur les paramètres rhéologiques P+40%AV Reference P-40%AV Seuil cisaillement (Pa) 0,7851 0,6331 0,8848 Consistance (Pa.s) 1,6855 1,612 1,715 Indice de fluidité 0,9272 0,96 0,9312

Mesures de thixotropie PLAN EXPERIMENTAL Mesures rhéologiques Viscosités apparentes Viscosités à l’état stationnaire Influence du SP sur la viscosité Influence de l’AV sur la viscosité Mesures de thixotropie Reprise de la viscosité Influence du SP sur la reprise de viscosité Influence de l’AV sur la reprise de viscosité Essai d’écrasement Comportement d’écrasement des pâtes Régime d’écoulement de la PAP Zone d’ouvrabilité des pâtes en modifiant SP et AV Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

II. Etude de la thixotropie La thixotropie caractérise l’évolution (réversible) des paramètres rhéologiques en fonction du temps Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Arbitraire Aicha F. Ghezal et Kamal H. Khayat (2003). Thixotropie ~ L’aire

Mesure de la reprise de thixotropie de la pâte б Temps Oscillation 2 (f=1Hz) Oscillation 1 (f=1Hz) 5 mn 4 ~12 mn ~15 mn =50s-1 = 5; 50; 100s-1 Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Capacité de reprise de thixotropie: Précisaillement à gradient de vitesse imposé à 50s-1 Oscillations à déformation imposée autour de 0,1 ~ repos 1 Défloculation pendant 4min et 12min à = 5; 50 et 100 s-1 Oscillations à déformation imposée autour de 0,1 ~ repos 2 Variables: Taux de cisaillement = 100 s-1 Temps de défloculation : 4min Temps de mesure : à t0, 1h, 2h et 3h après le malaxage.

Mécanisme de reprise de la viscosité Propriétés rhéologiques initiales Propriétés rhéologiques nouvelles agitation repos défloculation refloculation Suspension initiale Suspension après agitation soit flocs Surface Hydratée Etat dispersé du ciment Ajout de superplastifiant Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

Influence de l’hydratation Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Précisaillement Défloculation Repos 1 Repos 2 Comportement thixotropique dans le cas de la pâte de filler (sans hydratation)

Influence de l’hydratation Précisaillement Défloculation Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Repos 2 Repos 1 Comportement thixotropique dans le cas de la pâte de référence (avec hydratation) Influence de l’hydratation sur la reprise de la viscosité

Influence des SP sur la thixotropie Précisaillement Défloculation Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Les pente des courbes Repos 1 Repos 2 SP modifie nettement la capacité de reprise de thixotropie (modifiée la pente des courbes)

Influence des AV sur la thixotropie Précisaillement Défloculation Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Repos 1 Repos 2 AV ne modifie pas la capacité de reprise de thixotropie

Mesures de thixotropie PLAN EXPERIMENTAL Mesures rhéologiques Viscosités apparentes Viscosités à l’état stationnaire Influence du SP sur la viscosité Influence de l’AV sur la viscosité Mesures de thixotropie Reprise de la viscosité Influence du SP sur la reprise de viscosité Influence de l’AV sur la reprise de viscosité Essai d’écrasement Comportement d’écrasement des pâtes Régime d’écoulement de la PAP Zone d’ouvrabilité des pâtes en modifiant SP et AV Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

III. Essai d’écrasement U h À déplacement imposé Réponse en force normale F(h ; U) blocage Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives ressuage Mais à épaisseur variable et vitesse contrôlée Déterminer l'épaisseur ebloc / vcrit de blocage: Pour une vitesse d'écrasement donnée: 0,1 ; 1 ; 10 ; 100 mm/mn Pour différents dosages en SP et en AV.

Comportement en écrasement : Résultats attendus Pâte de ciment = fluide en loi de puissance (+seuil) U h Scott (1926) : Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives R : rayon du plus petit plateau; U : vitesse m : indice de fluidité de la pâte; A : sa consistance F est une fonction croissante de U que ce soit pour des pâtes rhéo-épaississantes (m>1) ou rhéo-fluidifiantes (m<1)

Comportement en écrasement : comparaison entre une PAP et une PO (sans adjuvant organique) Comportement d’écrasement (PO) Comportement d’écrasement (PAP) Déplacement (mm) Force d’écrasement (N) Déplacement (mm) Force d’écrasement (N) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives (♦) 100 mm/mn ; (▼) 10 mm/mn ; (▲) 1mm/mn ; (■) 0.3 mm/mn ; (●) 0.1 mm/mn.

Régimes de déformation des pâtes Régime d’écoulement Régime de blocage : filtration (mm) Déplacement (mm) Force d’écrasement (N) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Fluctuations (comportement granulaire sec) (♦) 100 mm/mn ; (▼) 10 mm/mn ; (▲) 1mm/mn ; (■) 0.3 mm/mn ; (●) 0.1 mm/mn.

Observation Etat final Etat initial Fluide visqueux et/ou vitesse élevée Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Fluide peu visqueux et/ou faible vitesse [ F. Chaari et al. (2003).]

Discussion Compétition entre la filtration du liquide interstitiel et la déformation de la pâte Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives s= sy+A γ m ● k : perméabilité Newtonienne : consistance du fluide p : pression interstitielle n : indice de fluidité du fluide σy : contrainte seuil A : consistance m : indice de fluidité Temps caracteristique de la filtration : f Temps caracteristique de la déformation : d

Vitesse “critique” Nombre de Peclet Filtration : Déformation: Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Vitesse “critique” de la séparation solide-liquide (Pe = 1) Enlever deuxieme terme Uc Pour éviter la séparation liquide-solide (blocage) Uc le plus faible possible Diminuer k et A (avec des SPs) Augmenter ηf (avec AV) Diminuer n-m (plus difficile à contrôler)

Zone “d’ouvrabilité” des pâtes (PAP et PO) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Modifier les couleur des zones : Zone de blocage pour les deux pâtes : Zone intermédiaire blocage pour PO et écoulement pour PAP : Zone d’écoulement pour les deux pâtes

Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP: influence du dosage en SP Vitesse d’écrasement (mm/mn) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives SP influe nettement sur la zone d’ouvrabilité en modifiant la filtration Dosage en saturation

Influence du SP : Interprétation Régime de blocage filtration Loi de Darcy: Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives vf, vs : vitesse du fluide, vitesse du solide μ0 : consistance du fluide interstitiel n : indice de fluidité du fluide interstitiel k : perméabilité de la pâte → k ~ (taille des flocs)2 SP taille des flocs k filtration

Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP : Influence du dosage en AV Vitesse d’écrasement (mm/mn) Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives La zone d’ouvrabilité est peu sensible à des variations du dosage en AV Sans AV, l’ouvrabilité diminue

Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP : Influence du dosage en AV Loi de Darcy Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives -Diminue légèrement la perméabilité: diminue n (<1) AV -Augmente m0 (mais linéairement) AV diminue, mais légèrement/SP, la filtration

AV stabilisateur si n<<1 et m0 Synthèse Rôle du AV: Modifie la filtration → modifie μ0 Effet mineur sur la rhéologie Rôle du SP: Modifie la filtration → → modifie k Effet majeur sur la rhéologie Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives AV stabilisateur si n<<1 et m0

CONCLUSIONS GENERALES Viscosité apparente → paramètre évolutif Є taux de cisaillement temps. Viscosité à l’état stationnaire. Le comportement rhéologique des pâtes en régime établi est assez complexe : * un comportement élastique → contraintes inférieures au seuil de cisaillement, * un comportement rhéo-fluidifiant * un comportement Newtonien * un comportement rhéo-épaississant. Le superplastifant : Améliore les paramètres rhéologiques Thixotropie : diminue la capacité de refloculation Stabilité : améliore l’ouvrabilité jusqu’au dosage en saturation (Autour de 20% en plus par rapport à la référence) . L’agent viscosant : Influe très peu (/SP) sur les paramètres rhéologiques de l’ensemble de la pâte mais influe nettement sur la phase fluide. Thixotropie: influe faiblement sur la capacité de reprise de la thixotropie Stabilité : évite la filtration de l’eau sans grandes différences avec la variation du dosage Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives

Etudier finement la phase fluide qui filtre ! Perspectives Etudier finement la phase fluide qui filtre ! Composition de la phase fluide ? La quantité de superplastifiant adsorbée sur les grains ? La quantité d’eau libre ? Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Centrifugation Etudier l’influence de la cinétique d’hydratation sur la rhéologie Couplage rhéologie - conductivité

Perspectives : Couplage rhéologie - conductivité Description du matériel : Un générateur basse fréquence délivre une tension alternative sinusoïdale de fréquence voisine de 500Hz Un voltmètre Un ampèremètre Introduction Problèmatique Objectif Expérimentation Résultats et Interprétations Conclusions et Perspectives Schéma de connexion du matériel : A V Suivi de la cinétique d’hydratation de la pâte au cours d’un cisaillement et permet de savoir à quel moment il y a cristallisation plus ou moins importante.

Merci de votre attention !