II-3-4 Troisième étape : association pâte / squelette granulaire

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1 II-3-4 Troisième étape : association pâte / squelette granulaire
II- Formulation Notion de pâte en excès La quantité de pâte, à qualité donnée, conditionne l’aptitude à l’écoulement. La mobilité des granulats (donc l’ouvrabilité du béton) est conditionnée par les frottements entre grains et par les propriétés rhéologiques de la pâte. Ainsi, plus les granulats sont distants plus l’ouvrabilité croît, à qualité de pâte donnée. Le frottement intergranulaire et la viscosité de la pâte vont conditionner la réponse rhéologique du béton  seuil proche de zéro et viscosité quantifiée Pour les BAP, l’ajout d’un superplastifiant va considérablement diminuer la composante de frottement entre grains de ciment et augmenter l’affaissement. C’est alors la viscosité du mélange qui devient significative, pilotée par les frottements entre granulats ; la seule façon de la diminuer consiste à desserrer le squelette. Déterminer la quantité de pâte nécessaire pour atteindre l’écoulement autoplaçant.

2 Pour un squelette granulaire
II- Formulation Association pâte / squelette granulaire Quantification de la pâte en excès Compactage V PE PC G Pour un squelette granulaire (diamètre moyen DM) Approche basée sur la taille moyenne du squelette granulaire A VPE et VG donnés, eM augmente avec DM et constitue donc un paramètre dépendant de la distribution granulométrique des squelettes

3 Quantification (suite)
II- Formulation Association pâte / squelette granulaire Quantification (suite) L’épaisseur de la pâte en excès n’est pas identique pour des tailles différentes de granulats. plus la dimension du granulat est importante, plus l’épaisseur de pâte couvrant sa superficie est importante par effet de masse (ou de taille pour un granulat de même densité). l’épaisseur de la pâte en excès est proportionnelle à la taille du granulat Définition d’un facteur d’homothétie k entre les diamètres des granulats bruts et enrobés de pâte Pour n classes i représentées chacune par un diamètre Di et un nombre Ni de particules : VG>80 = volume des granulats de taille supérieure à 80 microns, entouré par la suspension constituée de pâte de ciment et des fines du squelette granulaire, de taille inférieure à 80 microns

4 + + + + + + II- Formulation
Association pâte / squelette granulaire Principe de détermination du facteur d’homothétie k Pour un volume unité V de béton : V = VP + VV + VA VP = volume absolu de la pâte de ciment dont la formulation a été définie pour répondre aux critères rhéologiques (§ II-3-2), VV = volume des vides, VA = volume ajouté, composé de granulats et d’eau. Pour un squelette donné (g/s) et VV fixé, le principe général consiste à se donner un volume VP de pâte de ciment, et lui ajouter de manière séquencée des volumes de granulats et d’eau jusqu’à obtenir un aspect BAP Chronologie de Aspect Ferme la procédure Acceptable Aspect Fluide V + + + + + + P Pâte Granulats Eau optimale VA

5 Association pâte / squelette granulaire
II- Formulation Valeurs du facteur d’homothétie k (déterminées avec un dosage en ciment de 350 kg/m3) BAP n’incorporant pas d’agent de viscosité BAP incorporant un agent de viscosité roulés concassés Semi - concassés Roulés g/s k D 0,8 1,110 0,004 1,104 1,0 1,092 1,1 1,105 1,094 1,3 1,103 1,089 1,5 1,100 Roulés et concassés ,  valeur définie de k  BAP obtenu pour 0,8g/s 1,3 Toutes les facettes BAP non satisfaites pour g/s >1,3

6 Démarche de formulation
II- Formulation Association pâte / squelette granulaire Démarche de formulation Le principe général consiste à utiliser les valeurs établies du paramètre k pour déterminer dans quelles proportions la pâte de ciment et un squelette granulaire donné peuvent être associés.  détermination du volume total d’un squelette granulaire donné (défini par un rapport g/s) Paramètres d’entrée Pâte : une formulation (proportion de ciment, filler calcaire, eau, adjuvants) déterminée sur des critères rhéologiques (§ II-3-2) Squelette granulaire : Distribution en se fixant un rapport G/S (diamètres représentatifs DRi de chacune des classes i). Compacité maximale  du squelette granulaire à partir du modèle d’empilement compressible (§ II-3-3) le coefficient d’absorption de chaque fraction (sable, gravillon) Démarche Les particules < 80µm font partie de la matrice qui couvre les particules plus grosses

7 Démarche de formulation (suite)
II- Formulation Association pâte / squelette granulaire Démarche de formulation (suite)

8 (VC+VA+VEP+VSP+VAV=1)
II- Formulation Association pâte / squelette granulaire En pratique déduit Pâte Formulation connue (VC+VA+VEP+VSP+VAV=1)  Dosage en ciment fixé (350 kg/m3) VP Squelette granulaire g/s  a, k Mesure de  Abs, Abg b fixé (25 l/m3 par exemple)

9 Données squelette granulaire
Application Données pâte 0,4338 0,0 0,0128 0,1545 0,3989 Proportion volumique E AV SP F C Constituant C=CEM I 52.5 R ( = 3170 kg/m3 fcm28 = 69,4 MPa) F=filler calcaire (  = 2700 kg/m3 ) SP = superplastifiant (polycarboxylate ,  = 1050 kg/m3, extrait sec = 20%) 2 15.1 11 Viscosité à 18s-1 (Pa.s) Viscosité à 4s-1 (Pa.s) Etalement (cm) Seuil (Pa) Données squelette granulaire s = sable alluvionnaire de Garonne 0/4R ( = 2670 kg/m3 Abs = 1,5%, proportion <80µ = 1,1% en masse) g = gravillon alluvionnaire de Garonne 4/10R ( = 2670 kg/m3 Abs = 1,1%, proportion<80µ=0% massique) Rapport g/s = 1,1 (compacité maximale  = 0,847) Formuler le béton dosé à 350 kg/m3 de ciment

10 Résultats à l’état frais
Etalement : Diamètre moyen = 70cm t50 = 2.5s – observation : homogène, sans laitance Boîte en L : H2/H1 = t40=3.5s pas de blocage Stabilité au tamis :  = 6% pas de risque de ségrégation Entonnoir (V-funnel) : t = 12.5s – écoulement lent mais homogène  Spécificités autoplaçantes atteintes Résultats à l’état durci Résistance moyenne à la compression à 28j = 52,7MPa (écart-type = 3MPa) (prévision avec la formule de Feret avec volume des vides à 25l/m3 donne 54.8MPa)  différence liée à la teneur en air

11 Application (NON TRAITEE)
Données pâte Constituant C F SP AV E Proportion volumique 0,3985 0,1637 0,0162 0,0125 0,4091 C=CEM I 52.5 R ( = 3170 kg/m3 fcm28 = 69,4 MPa) F=filler calcaire (  = 2700 kg/m3 ) SP = superplastifiant (polycarboxylate ,  = 1050 kg/m3, extrait sec = 20%) AV= agent de viscosité (organique de synthèse,  = 1020 kg/m3, extrait sec = 5%) 2 15 12 Viscosité à 18s-1 (Pa.s) Viscosité à 4s-1 (Pa.s) Etalement (cm) Seuil (Pa) Données squelette granulaire s = sable alluvionnaire de Garonne 0/4R ( = 2670 kg/m3 Abs = 1,5%, proportion <80µ = 1,1% en masse) g = gravillon alluvionnaire de Garonne 4/10R ( = 2670 kg/m3 Abs = 1,1%, proportion<80µ=0% massique) Rapport g/s = 1,3 (compacité maximale  = 0,828) Formuler le béton dosé à 350 kg/m3 de ciment et en considérant la valeur du facteur d’homothétie k - incertitude

12 III- Performances

13 III- Performances III-1 Problématique
Béton traditionnel vibré BAP Les différences de formulation entre BV et BAP entraînent-elles des propriétés différentes à l’état durci ?  propriétés mécaniques (résistance compression, module d’élasticité),  variations dimensionnelles (retrait),  déformations différées (fluage),  propriétés de durabilité

14 III-2 Performances mécaniques instantanées
III-2-1 Résistance en compression uniaxiale Valeurs moyennes à Eeff / liantéq comparable Entre 55 et 75 MPa, g/s BAP< g/s BV A rapport équivalent Eeff/liant, Rc BAP ≥ Rc BV

15 l’âge conventionnel (à partir du coulage)
III- Performances Résistance en compression uniaxiale § BPEL fc28>40MPa BAP i (i=1,4) et BHP Valeurs corrigées prenant en compte l’âge réel du béton (à partir de la prise) plutôt que l’âge conventionnel (à partir du coulage)

16 III-2-2 Module d’élasticité
III- Performances III-2-2 Module d’élasticité Ε =(σa - σb)/(εa,n - εb,n) 5 cycles de charge et décharge d’une amplitude égale à 1/3 de la charge de rupture BAEL modifié Eurocode 2 A Rc et g/s comparables E BAP  E BV

17 taux d'évaporation = 0,9 kg/m2
III- Performances III-3 Déformations différées sans charge III-3-1 Retrait plastique Contraction totale du béton entre la fabrication du béton et la fin de prise Origines principales : Compaction naturelle (gravité) des phases solides (eau de ressuage) Hydratation (contraction Le Chatelier) Départ d’eau par évaporation Il concerne avant tout les structures présentant une large surface à l'air libre, lorsque le béton est à l'état frais (bétons autonivellants (BAN) utilisés pour les dalles) Sans vent (20°C – 50%HR) Résistance équivalente entre BAP40 et BO40 BAP F5 et BOF5 BAN1 et BO1 BAN2 et BO2 Avec vent (20°C 50%HR) taux d'évaporation = 0,9 kg/m2

18 Retrait plastique III- Performances Solution pour diminuer le retrait plastique et le risque de fissuration appliquer un produit de cure en surface d’ouvrage réalisé en BAN (compensation de l’absence de ressuage) Deux produits de cure sur le marché. Les produits solvantés, en général composés d'une résine pétrolière diluée dans un solvant. Ils sont pulvérisés à la surface du béton. Après évaporation du solvant, la résine polymérise et forme un film qui empêche une partie de l'évaporation.  Les produits non-solvantés composés d'un polymère en phase aqueuse. Après pulvérisation, ils forment également une pellicule imperméable à la surface du béton frais. Sans vent (20°C, 50%HR) Dispositif de mesure des déformations plastiques moule 7x7x28 cm (A), enveloppe(B+C), capteurs laser (D et E).

19 III-3-2 Retrait à l’état durci (au-delà de 24h)
III- Performances III-3-2 Retrait à l’état durci (au-delà de 24h) Rétractomètre mesurer, en fonction du temps, la variation de longueur due aux effets de l’hydratation et de la dessiccation des bétons retrait = rapport de la variation de longueur de l’éprouvette (∆L) sur sa longueur de base (L). Retrait total (20°C, 50% HR) Pour une gamme de résistance donnée, à Eeff/Liant éq et g/s comparables, les retraits totaux sont équivalents

20 III- Performances Retrait à l’état durci (au-delà de 24h) Eurocode 2

21 III-4 Déformations différées sous charge
III- Performances III-4 Déformations différées sous charge Le fluage est le comportement différé du béton soumis à un chargement stationnaire (≠ retrait qui est un phénomène spontané).  La déformation de fluage dépend des paramètres de formulation plutôt que de la différence du volume de pâte entre BAP et BV.

22 III- Performances Eurocode 2 t = échéance de mesure de la déformation
Déformations différées sous charge Eurocode 2 t = échéance de mesure de la déformation t0 = échéance de chargement

23 III-5 Propriétés physico-chimiques III- Performances
III-5-1 Perméabilité Perméamètre CEMBUREAU Echantillons séchés à 80°C pour faire tendre leur taux de saturation vers 0. I = 28 jours cure humide ; série II = 1 an cure humide ; III = 60 jours cure humide et 1 an cure 50% H.R.  A classe de résistance donnée et Eeff/Léq comparable, k BAP < k BV

24 III-5-2 Diffusion des ions chlore
III- Performances Coefficient de diffusion effectif le coefficient de diffusion effectif du BAP est semblable à celui du béton vibré, au sein d’une même classe de résistance.

25 III-5-3 Absorption d’eau par capillarité III- Performances
Vitesse d’absorption capillaire Bonne corrélation entre l’absorption d’eau et le coefficient de diffusion des ions chlore Ces 2 grandeurs sont en lien direct avec la porosité capillaire du béton (autoplaçant ou vibré) et ne semblent pas influencées par d’autres paramètres supplémentaires (auréole de transition, en particulier)

26 III-5-4 Carbonatation accélérée III- Performances
Mesure de l’épaisseur moyenne du front carbonaté (I et III : 28 jours cure humide ; II : 500 jours cure humide) les BAP se carbonatent légèrement plus vite que les bétons vibrés, pour toutes les classes de résistance mécanique. Les profondeurs de carbonatation restent cependant faibles.

27 III-5-5 Lessivage au nitrate d’ammonium III- Performances
Caractériser le comportement d’échantillons de béton vis-à-vis du lessivage Suivi de l’évolution de l’épaisseur de béton lessivé d’échantillons immergés dans une solution saturée en nitrate d’ammonium Il n’existe pas de différence significative entre BAP et BV que ce soit pour les bétons de bâtiment comme pour les bétons d’ouvrage ou ceux à hautes performances