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Influence de la température sur la thixotropie des bétons autoplaçants, The influence of the temperature on the thixotropy of self-consolidating concretes

De
273 pages
Sous la direction de Eric Wirquin
Thèse soutenue le 19 juin 2009: Artois
L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence de la température sur la thixotropie des bétons autoplaçants (BAP). L’intérêt de ce travail s’inscrit dans la perspective d’optimiser les formulations des BAP dans une large gamme de température. Un plan factoriel composite centré a été adopté dans le but de minimiser le nombre d’essais tout en étudiant les effets des facteurs (température et dosage en agent de viscosité (AV)) et leurs interactions sur les propriétés rhéologiques des BAP.La première phase de l’étude consistait à quantifier la thixotropie du béton juste après le malaxage et durant la période dormante en fonction du dosage en AV à des températures comprises entre 11.3 et 30.7°C selon le protocole proposé par Wallevik sur le rhéomètre BML4. Les résultats ont montré que l’indice de thixotropie présente un minimum respectivement pour un dosage en AV de 0.28 % (par rapport à la masse d’eau) et une température de 24°C. Cependant, ce protocole ne permet pas d’étudier la déstructuration des BAP, facteur recherché par exemple dans les coulages multicouches. Nous avons donc été amenés à retenir un protocole utilisé dans les gels et appelé protocole Dolz. L’application de ce dernier aux pâtes de ciment et aux BAP a permis de mettre en évidence une nouvelle grandeur, le potentiel de déstructuration K. Les valeurs du potentiel K montrent qu’au delà d’un certain dosage en AV et d’une certaine température, apparaissent des phénomènes d’encombrement qui réduisent le potentiel K. Ainsi, le potentiel K apporte des informations complémentaires pour l’aide à la sélection de dosages adéquats du couple superplastifiant – agent de viscosité en fonction de la température de coulage.
-Thixotropie
-Potentiel de déstructuration
-Béton autoplaçant
-Agent de viscosité
-Superplastifiant
-Plan d'expérience
-Rhéologie
The aim of this thesis was to study the influence of the temperature on the thixotropy of self-consolidating concrete (SCC). The research significance comes within the perspective to optimize the design of SCC in a wide range temperature. A factorial composite experimental plan was carried out in order to minimize the total number of tests while studying the effects of factors (temperature and dosage of viscosity modifying admixture (VMA)) and their interactions on the rheological properties of SCC. The first phase of the study was to quantify the thixotropy of concrete proportioned with various dosage of VMA at different temperatures ranging from 11.3 to 30.7°C just after mixing and at different time during the dormant period using the protocol proposed by Wallevik in BML4 rheometer. The results indicated that the values of thixotropy index present a minimum respectively with a VMA dosage of 0.28 % (by mass of water) and a temperature of 24°C.On the other hand, this protocol does not allow studying the destructuration of SCC, useful factor needed for example in the multi-layer casting. We therefore had to retain a protocol used in gels and called Dolz protocol. The application of this last to cement pastes and SCC has revealed a new grandeur, the potential of destructuration K. The values of K show that beyond a certain dosage in VMA and a certain temperature, the congestion phenomena appear that reduce the potential K. In this case, the potential of destructuration provides complementary information to assist in the selection of appropriate dosages of couple superlasticizer-VMA whatever the casting temperature may be.
-Thixotropy
-Potential of destructuration
-Viscosity modifying admixture
-Self-consolidating concrete
-Superplasticizer
-Experience plan
-Experimental protocol
Source: http://www.theses.fr/2009ARTO0203/document
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N° d'ordre
Université d'Artois
Faculté des Sciences Appliquées de Béthune
THESE
Pour obtenir le grade de
Docteur de l'université
Spécialité : Sciences pour l'ingénieur
Option : Génie Civil
Présentée et soutenue publiquement par
Benjamin HELNAN-MOUSSA
Influence de la température sur la thixotropie des
bétons autoplaçants
Soutenue le 19 juin 2009 devant la commission d’examen composée de :
Monsieur Sofiane AMZIANE – Professeur, Université Blaise Pascal. Rapporteur
Monsieur Alain PONTON – Professeur, université Denis Diderot, Paris 7. Rapporteur
Monsieur Jean-Louis GALLIAS – Professeur, Université de Cergy Pontoise. Président
Monsieur Faber FABBRIS – Project Manager, Laboratoire Adjuvants et Produits Spéciaux.
Monsieur Yannick VANHOVE – Co-directeur de thèse, Maître de conférences HDR,
Université d’Artois
Monsieur Eric WIRQUIN – Professeur, Université d’Artois. Directeur de Thèse Résumé
L’ objectif de cette thèse est d’ étudier l’ influence de la température sur la thixotropie des
bétons autoplaçants (BAP). L’ intérêt de ce travail s’ inscrit dans la perspective d’ optimiser les
formulations des BAP dans une large gamme de température. Un plan factoriel composite
centré a été adopté dans le but de minimiser le nombre d’ essais tout en étudiant les effets des
facteurs (température et dosage en agent de viscosité (AV)) et leurs interactions sur les
propriétés rhéologiques des BAP.
La première phase de l’ étude consistait à quantifier la thixotropie du béton juste après le
malaxage et durant la période dormante en fonction du dosage en AV à des températures
comprises entre 11.3 et 30.7°C selon le protocole proposé par Wallevik sur le rhéomètre
BML4. Les résultats ont montré que l’ indice de thixotropie présente un minimum
respectivement pour un dosage en AV de 0.28 % (par rapport à la masse d’ eau) et une
température de 24°C.
Cependant, ce protocole ne permet pas d’ étudier la déstructuration des BAP, facteur recherché
par exemple dans les coulages multicouches. Nous avons donc été amenés à retenir un
protocole utilisé dans les gels et appelé protocole Dolz. L’ application de ce dernier aux pâtes
de ciment et aux BAP a permis de mettre en évidence une nouvelle grandeur, le potentiel de
déstructuration K. Les valeurs du potentiel K montrent qu’ au delà d’ un certain dosage en AV
et d’ une certaine température, apparaissent des phénomènes d’ encombrement qui réduisent le
potentiel K. Ainsi, le potentiel K apporte des informations complémentaires pour l’ aide à la
sélection de dosages adéquats du couple superplastifiant – agent de viscosité en fonction de la
température de coulage.
Mots clés
Thixotropie, potentiel de déstructuration, température, agent de viscosité (AV),
superplastifiant, béton autoplaçant (BAP), plan d’ expérience, protocole expérimental.
2Abstract
The aim of this thesis was to study the influence of the temperature on the thixotropy of self-
consolidating concretes (SCC). The research significance comes within the perspective to
optimize the design of SCC in a wide range temperature. A factorial composite experimental
plan was carried out in order to minimize the total number of tests while studying the effects
of factors (temperature and dosage of viscosity modifying admixture (VMA)) and their
interactions on the rheological properties of SCC.
The first phase of the study was to quantify the thixotropy of concrete proportioned with
various dosage of VMA at different temperatures ranging from 11.3 to 30.7°C just after
mixing and at different time during the dormant period using the protocol proposed by
Wallevik in BML4 rheometer. The results indicated that the values of thixotropy index
present a minimum respectively with a VMA dosage of 0.28 % (by mass of water) and a
temperature of 24°C.
On the other hand, this protocol does not allow studying the destructuration of SCC, useful
factor needed for example in the multi-layer casting. We therefore had to retain a protocol
used in gels and called Dolz protocol. The application of this last to cement pastes and SCC
has revealed a new grandeur, the potential of destructuration K. The values of K show that
beyond a certain dosage in VMA and a certain temperature, the congestion phenomena appear
that reduce the potential K. In this case, the potential of destructuration provides
complementary information to assist in the selection of appropriate dosages of couple
superlasticizer-VMA whatever the casting temperature may be.
Key words
Thixotropy, potential of destructuration, temperature, viscosity modifying admixture (VMA),
self-consolidating concrete (SCC), superplasticizer, experience plan, experimental protocol.
3Avant propos
4S’ il est vrai que la thèse reste un travail personnel, elle n’ en demeure pas moins un travail de
groupe. Aussi, Mes pensées se tournent vers toutes les personnes qui m’ ont aidé à rassembler
et agencer les pierres pour bâtir cette magnifique œuvre.
Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Monsieur Eric WIRQUIN, Professeur à
l’ Université d’ Artois, de m’ avoir confié ce travail, de l’ avoir dirigé et de l’ avoir accompagné.
J’ ai beaucoup appris à son contact. Qu’ il trouve ici mes plus vifs remerciements pour sa
disponibilité, son soutien et d’ avoir mis à ma disposition les matériels nécessaires au bon
déroulement de cette thèse. La confiance qu’ il m’ a témoignée, sa patience et son humanisme
m’ ont permis de supporter les difficultés rencontrées lors de la thèse.
J’ exprime aussi ma profonde gratitude et ma reconnaissance à Monsieur Yannick
VANHOVE, Maître de Conférences et H.D.R à l’ Université d’ Artois, de m’ avoir confié cette
thèse et de l’ avoir encadrée. Ses orientations précieuses, ses conseils scientifiques, son suivi et
sa grande disponibilité m’ ont permis de mener à bien ce travail. Qu’ il trouve ici l’ expression
de mes remerciements les plus sincères pour la confiance qu’ il m’ a témoignée, son
humanisme et la précieuse formation qu’ il a su me transmettre. Je lui suis gré de m’ avoir pris
sous ses ailes.
Je suis gré à Monsieur Jean-Louis GALLIAS, Professeur à l’ Université de Cergy Pontoise,
d’ avoir accepté d’ examiner ce travail de recherche et de présider le jury de ma thèse. Ses
critiques et ses précieuses observations ont permis d’ améliorer la qualité de ce travail.
Monsieur Alain PONTON, Professeur à l’ Université Paris 7 Denis Diderot et Monsieur
Sofiane AMZIANE, Professeur à l’ Université Blaise Pascal, ont accepté de juger et d’ être
rapporteurs de cette thèse. Je leur exprime ma profonde reconnaissance pour leur lecture
critique et éclairante sur ce travail.
Mes plus vifs remerciements vont également à Monsieur Faber FABRIS, Project Manager,
Laboratoire Adjuvants et Produits Spéciaux chez AXIM, qui malgré ses nombreuses
occupations m’ a fait l’ honneur de participer au jury de ma thèse. Ses connaissances et son
expérience dans le domaine des adjuvants et des produits spéciaux ont permis d’ éclaircir
certaines observations et résultats qui allaient à l’ encontre de ceux généralement rencontrés
dans les matériaux cimentaires.
5Je suis très reconnaissant à toutes les personnes avec lesquelles j’ ai pu entretenir des
discussions et échanger des idées, qui m’ ont fait avancer dans ce travail de recherche.
Qu’ elles trouvent dans ces quelques mots mes sincères remerciements. Je pense
particulièrement à Monsieur Jean Yves PETIT, Maître de Conférences à l’ Université d’ Artois.
Monsieur Thierry CHARTIER m’ a énormément aidé dans la mécanique et l’ instrumentation
du rhéomètre et du viscosimètre. Je lui témoigne ici toute ma gratitude et ma reconnaissance
pour avoir maintes fois réparer l’ enceinte climatique, le rhéomètre BML4 et m’ avoir aidé à
développer le logiciel permettant de réaliser le protocole Dolz sous BML4.
Cette thèse s’ est déroulée dans le Laboratoire d’ Artois Mécanique, Thermique et
Instrumentation (LAMTI) de Béthune, Université d’ Artois. Toute ma gratitude à Monsieur
Bruno DUTHOIT et à Monsieur Didier DEFER, ancien et nouveau directeur du LAMTI de
m’ avoir accueilli au sein de leur laboratoire. Je tiens aussi à remercier le personnel technique
et administratif qui m’ a aidé dans ma tâche, notamment Monsieur Pascal MOUVEAUX,
Madame Bernadette PHELLION, Madame Magali HOULETTE, Monsieur Oliver
TURPIN,….
Mes remerciements vont aussi à mes collègues et amis dont le soutien m’ a été très précieux au
cours de cette thèse. Que tous ceux que je n’ ai pu citer leur nom veuillent bien m’ en excuser.
6Aux rêves et aux sacrifices de mes parents Moussa HELNAN et Joseph HELNAN qui ont cru
en moi.
A Madame Marie Thérèse SANNIER pour son soutien et son aide.
A mon amie Djazira MECHERI pour m’ avoir supporté et soutenu tout au long de ce travail.
Je vous suis gré tous d’ être à mes côtes dans cette passionnante aventure.
A la mémoire de mon père M’ bangtaïda.
A la mémoire de mon frère Minguémra.
A la mémoire de ma sœur Adneli.
A la mémoire de ma grand Déhem.
7Sommaire
8Introduction______________________________________________________ 28
Chapitre I: Etude bibliographique ____________________________________ 33
I.1: Notions fondamentales de rhéologie _____________________________________ 34
I.1.1: Définition de la rhéologie __________________________________________ 34
I.1.2: Seuil de cisaillement ______________________________________________ 36
I.1.3: Viscosité ________________________________________________________ 37
I.1.4: Rhéofluidification et rhéoépaississement _____________________________ 37
I.1.5: Interactions dans les matériaux cimentaires___________________________ 40
I.1.5.1: Interactions interparticulaires dans une pâte de ciment sans adjuvants ___ 40
I.1.5.2: Effets du superplastifiant sur les interactions interparticulaires _________ 45
I.1.6: La thixotropie ___________________________________________________ 50
I.1.6.1: Un bref historique de la thixotropie ______________________________ 50
I.1.6.2: Tentatives de définition de la thixotropie __________________________ 51
I.1.6.3: Approches du phénomène______________________________________ 53
I.1.6.4 : Caractéristiques du comportement des fluides thixotropes ____________ 56
I.1.6.4.1: Etat de référence ___________________________________________ 56
I.1.6.4.2: Méthodes de caractérisation des comportements thixotropes_________ 58
I.1.6.4.3: Quantification de la thixotropie _______________________________ 65
I.1.7: Conclusion ______________________________________________________ 70
I.2: Thixotropie des matériaux cimentaires __________________________________ 71
I.2.1: Effets du temps __________________________________________________ 71
I.2.2: Effets de la quantité totale de liant __________________________________ 73
I.2.3: Effets de la finesse des liants________________________________________ 73
I.2.4: Effets d’une augmentation du dosage en eau __________________________ 74
I.2.5: Effets des adjuvants_______________________________________________ 74
I.2.6: Effets des agents de viscosité ou rétenteurs d’eau ______________________ 74
I.2.7: Effets de la température ___________________________________________ 77
I.2.8: Conclusion ______________________________________________________ 77
I.3: Appareils de mesures rhéologiques______________________________________ 78
I.3.1: Introduction _____________________________________________________ 78
I.3.2: Rhéomètre Cemagref-IMG ________________________________________ 80
I.3.3: Rhéomètre two-points test _________________________________________ 82
9I.3.4: Rhéomètre IBB __________________________________________________ 83
I.3.5: Rhéomètre BML _________________________________________________ 84
I.3.6: Rhéomètre BTRheom _____________________________________________ 85
I.3.7: Conclusion ______________________________________________________ 86
I.4: Conclusion générale __________________________________________________ 88
Chapitre II: Méthodologie expérimentale ______________________________ 90
II.1: Plan d’expérience ___________________________________________________ 91
II.1.1: Vocabulaire de bases des plans d’expériences ________________________ 91
II.1.1.1: Modèle décrivant les réponses ou propriétés des BAP _______________ 91
II.1.1.2: Les différents écarts__________________________________________ 92
II.1.1.3: Analyse des variances ________________________________________ 93
II.1.1.4: Tests statistiques ____________________________________________ 94
II.1.1.5:Domaine expérimental ________________________________________ 95
II.1.2: Plan factoriel composite centré_____________________________________ 96
II.1.2.1:Variables codées ou variables centrées réduites_____________________ 97
II.1.2.2:Analyse statistique des résultats d’ essai et présentation des modèles ____ 98
II.1.2.2.1: Erreur et variance de répétabilité _____________________________ 99
II.1.2.2.2: Répartition de l’erreur standard _____________________________ 100
II.1.2.2.3: Répartition de la distribution des résidus ______________________ 101
II.2: Procédures d’essais rhéologiques _____________________________________ 101
II.2.1: Vérification de l’étalonnage du rhéomètre à béton, le rhéomètre BML4__ 102
II.2.1.1:Etalonnage du lecteur de couple________________________________ 102
II.2.1.2:Etalonnage du lecteur de vitesse________________________________ 104
II.2.2: Protocole BML et méthodologie de détermination des grandeurs
rhéologiques _________________________________________________________ 105
II.2.2.1:Essais sur BAP selon le protocole BML _________________________ 108
II.2.2.2:Essais sur pâtes de ciment selon le protocole BML _________________ 109
II.2.2.3:Détermination des grandeurs rhéologiques selon le protocole BML ____ 109
II.2.3: Protocole Dolz et méthodologie de détermination des grandeurs
rhéologiques _________________________________________________________ 111
II.2.3.1:Développement d’ un logiciel d’ essai rhéologique __________________ 111
II.2.3.2: Protocole Dolz _____________________________________________ 113
10