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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THESE présentée par Thierry SEDRAN pour l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES Spécialité: STRUCTURES ET MATERIAUX RHEOLOGIE ET RHEOMETRIE DES BETONS. APPLICATION AUX BETONS AUTONIVELANTS Date de soutenance: 8 mars 1999 Composition du jury: Messieurs K. KHAYAT Rapporteur C. LEGRAND Rapporteur J. CHAPPUIS Examinateur F. de LARRARD Examinateur L. DEMILECAMPS Examinateur M. PIGEON Examinateur

  • étalonnage du modèle

  • béton btrheom

  • ségrégation

  • bétons autonivelants

  • temps d'étalement t500

  • essai rapide de ségrégation sur béton frais

  • béton


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Publié le 01 mars 1999
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THESE


présentée par


Thierry SEDRAN


pour l'obtention du grade de


DOCTEUR DE L'ECOLE NATIONALE
DES PONTS ET CHAUSSEES


Spécialité: STRUCTURES ET MATERIAUX


RHEOLOGIE ET RHEOMETRIE DES BETONS.
APPLICATION AUX BETONS AUTONIVELANTS



Date de soutenance: 8 mars 1999


Composition du jury:

Messieurs
K. KHAYAT Rapporteur
C. LEGRAND
J. CHAPPUIS Examinateur
F. de LARRARD
L. DEMILECAMPS
M. PIGEON

TABLE DES MATIERES


RESUME
REMERCIEMENTS
INTRODUCTION
1.  SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ET AXES DE RECHERCHE ........................... 5 
1.1.  Les bétons autonivelants .............................................................................................. 5 
1.2.  La formulation des BAN ........................................................................................... 15 
1.3.  Axes de recherche ...................................................................................................... 20 
2.  FORMULATION ET EMPILEMENTS GRANULAIRES ....................................... 23 
2.1.  Notations et définitions 23 
2.2.  Le modèle d'empilement virtuel ................................................................................ 24 
2.2.1.  Mélange binaire .................................................................................................. 24 
2.2.1.1.  Mélange sans interaction ............................................................................ 24 
2.2.1.2.  Mélange avec interaction totale .................................................................. 25 
2.2.1.3.  Cas général 26 
2.2.2.  Cas général d'un mélange polydisperse .............................................................. 28 
2.3.  Le modèle de suspension solide 29 
2.3.1.  Fondements théoriques et étalonnage du modèle [13] ....................................... 29 
2.3.2.  Validation. Cas des mélanges confinés [14] ...................................................... 42 
2.3.3.  Les limites de ce modèle .................................................................................... 59 
2.4.  Le modèle d'empilement compressible ...................................................................... 59 
2.4.1.  Notion d'indice de compaction ........................................................................... 59 
2.4.2.  Calibration du modèle sur des grains grossiers .................................................. 61 
2.4.3. odèle sur des poudres .............................................................. 61 
2.4.3.1.  Détermination de la granularité .................................................................. 62 
2.4.3.2.  Essai de demande en eau ............................................................................. 64 
2.4.3.3.  Calibration et validation et du modèle pour les poudres ............................ 67 
2.4.3.4.  Demande en eau des additions minérales en présence de superplastifiant. 71 
2.4.4.  Prise en compte de l'effet de paroi ..................................................................... 73 
2.5.  Programmation du modèle dans un logiciel 74 
2.5.1.  Intégration du modèle dans le logiciel ............................................................... 74 
2.5.2.  Données d'entrée nécessaires au logiciel............................................................ 75 
2.5.2.1.  Les masses volumiques ............................................................................... 75 
2.5.2.2.  Les granularités ........................................................................................... 76 
2.5.2.3.  Les compacités ............................................................................................ 76 
2.5.2.4.  L'indice de compaction 76 
2.5.2.5.  Le confinement 76 
2.5.2.6.  Fonctionnement du logiciel ........................................................................ 77 
3.  SELECTION D'ESSAIS DE BETONS FRAIS ........................................................... 78 
3.1.  Essais existants .......................................................................................................... 78 
3.1.1.  Essai au cône d'Abrams ...................................................................................... 78 
3.1.2.  Boîte en L ........................................................................................................... 78 
3.2.  Le rhéomètre BTRHEOM ......................................................................................... 80 
3.2.1.  Le rhéomètre à béton BTRHEOM ..................................................................... 80 
3.2.2.  Amélioration des joints 91 
3.2.3.  Détermination du frottement des joints .............................................................. 93 
i3.2.4.  Mesure de la reproductibilité ........................................................................... 100 
3.2.5.  Le pilotage du Btrheom .................................................................................... 102 
3.2.6.  Prise en compte du confinement ...................................................................... 105 
3.3.  Essai à la bille .......................................................................................................... 108 
4.  PROGRAMMES EXPERIMENTAUX ..................................................................... 111 
4.1.  Introduction ............................................................................................................. 111 
4.2.  Programme 1: Mortiers et bétons non adjuvantés ................................................... 111 
4.2.1.  Objectif et mode opératoire .............................................................................. 111 
4.2.2.  Matériaux ......................................................................................................... 112 
4.2.3.  Composition des mélanges ............................................................................... 112 
4.2.4.  Résultats ........................................................................................................... 114 
4.3.  Programme 2: Bétons saturés en adjuvant ............................................................... 114 
4.3.1.  Objectif et mode opératoire 114 
4.3.2. 115 
4.3.3.  Composition des mélanges 116 
4.3.4. 118 
4.4.  Programme 3: Effet du confinement........................................................................ 120 
4.4.1.  Objectifs et protocole d'essai ............................................................................ 120 
4.4.2.  Matériaux ......................................................................................................... 121 
4.4.3.  Composition des mélanges ............................................................................... 121 
4.4.4.  Résultats ........................................................................................................... 122 
4.5.  Programme 4: spécifique BAN ................................................................................ 123 
4.5.1.  Objectifs et mode opératoire 123 
4.5.2. 123 
4.5.3.  Composition des mélanges 124 
4.5.4. 127 
5.  EXPLOITATION ......................................................................................................... 131 
5.1.  Dépouillement des rhéogrammes ............................................................................ 131 
5.2.  Pertinence des mesures rhéologiques ...................................................................... 138 
5.3.  Lien entre cone d'Abrams et rheologie. ................................................................... 142 
5.3.1.  L'affaissement au cône d'Abrams ..................................................................... 142 
5.3.2.  L'étalement au cône d'Abrams ......................................................................... 145 
5.3.3.  Le temps d'étalement T ................................................................................ 148 500
5.4.  Lien entre rheologie et formulation ......................................................................... 149 
5.4.1.  La viscosité ....................................................................................................... 149 
5.4.1.1.  Un modèle granulaire ................................................................................ 149 
5.4.1.2.  Validation sur des pâtes de ciment ........................................................... 150 
5.4.1.3.  Validation sur mortiers et bétons .............................................................. 155 
5.4.2.  Le seuil de cisaillement .................................................................................... 157 
5.4.2.1.  Un modèle granulaire 157 
5.4.2.2.  Validation sur mortiers et bétons 158 
5.4.3.  Effet du confinement ........................................................................................ 167 
5.5.  Lien entre formulation et blocage ............................................................................ 169 
5.6. ulation et segrEgation statique ....................................................... 172 
6.  METHODOLOGIE DE FORMULATION DES BETONS AUTONIVELANTS . 176 
6.1.  Une premiere methode [54] ..................................................................................... 176 
6.2.  Vers Une methode plus rationnelle ......................................................................... 188 
7.  CONCLUSIONS ........................................................................................................... 191 
7.1.  APPORTS DE LA THESE ...................................................................................... 191 
7.2.  BESOINS EN RECHERCHE .................................................................................. 193 
ii8.  BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................... 194 
9.  ANNEXE A: PROPRIETES DES MATERIAUX DU CHAPITRE 2 ..................... 198 
10.  ANNEXE B: PROPRIETES DES MATERIAUX DU CHAPITRE 4 ................. 205 
10.1.  Granulats .............................................................................................................. 205 
10.2.  FINES .................................................................................................................. 213 


iiiRESUME



Parce que la connaissance des propriétés d'écoulement des bétons est devenue primordiale
avec l'avènement des bétons fluides, le LCPC a développé le rhéomètre à béton BTRHEOM.
Nous avons procédé dans ce travail à une analyse critique de la première version de l'appareil
et à son amélioration. Le BTRHEOM s'avère alors être un bon outil de détection des défauts
de formulation des bétons.

A travers quatre programmes expérimentaux, nous confirmons que le béton a un
comportement de Herschel-Bulkley. Il est toutefois possible d'estimer plus simplement ce
coment par une analyse de Bingham; un béton frais peut donc être décrit par un seuil de
cisaillement et une viscosité plastique. Nous avons ensuite validé des modèles d'empilements
granulaires reliant ces deux propriétés à la formulation des bétons. L'analyse des résultats
montre que la forme générale des modèles permet de décrire correctement la rhéologie des
bétons, mais que certains paramètres dépendent du superplastifiant. Nous proposons donc une
méthode de calibration pratique de ces modèles.

Nous avons, dans une dernière partie, vérifié que les modèles sont pertinents pour les bétons
autonivelants dont on peut alors prédire l'étalement de façon satisfaisante. Une métrologie
complète a également été développée pour caractériser plus finement ces matériaux: le
BTRHEOM a été adapté pour mesurer leurs propriétés d'écoulement en milieu confiné, leur
résistance au blocage a été quantifiée par l'essai de boîte en L et la ségrégation a été mesurée
sur éprouvette fendue (le développement d'un essai rapide de ségrégation sur béton frais, basé
sur la mesure de l'enfoncement d'une bille dans le béton s'est avéré décevant). Grâce à une
analyse basée sur des concepts granulaires, nous proposons des modèles de prévision de
l'ensemble de ces propriétés ainsi qu'une démarche rationnelle et pratique de formulation des
bétons autonivelants qui doit maintenant être validée plus largement.



Mots-clés:
Béton fluide, béton frais, béton autonivelant, viscosité plastique, seuil de cisaillement,
ségrégation, empilement granulaire, compacité, formulation.

1REMERCIEMENTS




Je tiens à remercier tout d'abord mon directeur de thèse, François de LARRARD, chef de la
division Méthodes et Matériels de Construction et d'Entretien des Routes, au Laboratoire
Central des Ponts et Chaussées à Nantes. La qualité de son encadrement et de ses conseils, sa
disponibilité et ses encouragements m'ont été précieux pour mener à bien ce travail.

Je suis reconnaissant à messieurs Claude LEGRAND, professeur à l'université Paul Sabatier
de Toulouse et Kamal KHAYAT, professeur à l'université de Sherbrooke (Québec), d'avoir
accepté d'être les rapporteurs de cette thèse et de participer au jury.

Je remercie messieurs Jacques CHAPPUIS, ingénieur au Laboratoire Central de Recherche de
LAFARGE, Louis DEMILECAMPS, directeur Technique chez DUMEZ-GTM et Michel
PIGEON, professeur à l'université Laval de Québec, de me faire l'honneur de participer à mon
jury de thèse.

Ce travail s'est déroulé à l'occasion de mon séjour de 1992 à 1998 dans la division Béton et
Ciment pour Ouvrage d'Art du LCPC à Paris. Je tiens à remercier ici tous les collègues qui
m'ont aidé, par leurs conseils ou leur collaboration, et plus particulièrement R. LEROY, C.
BOULAY, F. LE MAOU, J.J SERRANO, J.D.SIMITAMBE, J.F. BOUTELOUP, J.
CARRIAT, P. ROUSSEL , F. GUERRIER, et toute l'équipe qui a participé au développement
du rhéomètre BTRHEOM.

J'exprime également ma gratitude à mes collègues du projet européen BRITE-EURAM "Self
Compacting Concrete" pour m'avoir autorisé à présenter une partie des résultats obtenus dans
le cadre du projet.

Enfin et surtout, je tiens à remercier ma femme de m'avoir supporté et soutenu tout au long de
ce travail.
2INTRODUCTION



Le processus de formulation d'un béton consiste à établir un cahier des charges exprimés en
termes de propriétés mesurables, et à tenter d'y répondre au moindre coût. Le cahier des
charges contient au minimum deux clauses fixant un affaissement et une résistance à la
compression à 28 jours. Il est, en fait, toujours beaucoup plus complexe et nous pouvons citer
quelques exemples de clauses pour illustrer notre propos:
• pour des bétons de masse, on va imposer une chaleur d'hydratation faible afin de limiter la
fissuration;
• pour des bétons précontraints, on va chercher à limiter les déformations différées comme le
retrait et le fluage, pour éviter de perdre de la précontrainte;
• pour des raisons de rapidité d'exécution des chantiers, on va imposer des résistances
minimales au jeune âge permettant un décoffrage précoce;
• les bétons doivent être durables malgré des environnements agressifs (comme définis par
exemple par la norme P18-305 ou sa version européenne EN-206);
• pour des facilité de transport on peut imposer que le béton soit pompable;
• dans un environnement urbain soumis aux aléas du trafic, on peut imposer une durée
pratique d'utilisation du béton de plusieurs heures;
• ...etc...

A la complexité croissante du cahier des charges, vient s'ajouter la multiplication des sources
de matériaux. De plus en plus de produits ou sous produits industriels sont employés comme
liant (les cendres volantes, les fumées de silice, les fillers calcaires ou siliceux, les laitiers...),
et les granulats peuvent être roulés, concassés, semi-concassés, de nature géologique
différentes. Chaque matériau intervient de façon différente sur chacune des propriétés du
béton et cela concourt à rendre le processus de formulation très complexe et illustre la
nécessité de la mise au point d'une méthodologie de formulation rationnelle. C'est dans cette
optique que le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) s'est engagé, depuis un
certains nombre d'années, dans la recherche de la prévision des propriétés des bétons, en
fonction de leur composition, et des propriétés des constituants. L'objectif final de cette
approche est de proposer aux professionnels un logiciel permettant, à l'aide d'un certains
nombre de propriétés mesurées sur les constituants, d'optimiser rapidement une formule
théorique sur la base d'un cahier des charges fixés au préalable. Cette formule théorique sera
alors ajustée par quelques essais de laboratoire et de convenance.

La modélisation des propriétés mécaniques est largement entamée, mais celle des propriétés
du béton frais n'en est qu'à ses débuts. Or, une attention croissante est portée au comportement
du béton frais et à la facilité avec laquelle on peut le mettre en place dans les coffrages, afin
d'optimiser les coûts d'exécution des chantiers par une augmentation des cadences de coulage
et une diminution de la main d'œuvre nécessaire. Par ailleurs, une bonne ouvrabilité du béton
diminue les risques de malfaçon et améliore la qualité finale de la structure. L'apparition
récente des bétons autonivelants, qui ont la propriété de s'écouler sous leur propre poids,
même dans des coffrages très congestionnés, est assez symptomatique de ce phénomène. Il est
donc particulièrement important, pour l'industrie du BTP, de chercher à prédire ce
comportement à l'état frais. Toutefois, avant d'envisager toute prédiction, il est nécessaire de
3bien le caractériser. Ceci a été fait, jusqu'à présent, à l'aide d'essais technologiques comme, par
exemple, la mesure de l'affaissement au cône d'Abrams ou le temps d'écoulement au
maniabilimètre LCL. Avec l'avènement des bétons modernes adjuvantés, il est apparu que
cette approche n'était pas suffisante: il est nécessaire de déterminer plus finement la loi de
comportement rhéologique du béton. Nous avons donc tenté de répondre, dans ce mémoire, à
ces deux problématiques.

Une première partie de ce travail est consacrée au perfectionnement du rhéomètre à béton
BTRHEOM développé au LCPC et des méthodes d'analyses des résultats. On y montre
notamment la pertinence de l'appareil et l'adaptation du modèle de Herschel-Bulkley aux
bétons fluides.

Une seconde partie du mémoire est consacrée à la prédiction des propriétés rhéologiques (seuil
de cisaillement et viscosité plastique) des bétons en fonction de leur formulation. Cette
prédiction est basée sur un modèle d'empilement granulaire développé à cet effet. Nous
montrons comment on peut en déduire l'affaissement au cône d'Abrams, qui reste l'outil de
contrôle le plus utilisé.

Dans une troisième partie, nous avons appliqué ces concepts aux cas des bétons autonivelants,
qui présentent sans doute le cahier des charges le plus complexe en terme de béton frais, et
illustrent parfaitement les difficultés que peuvent rencontrer les formulateurs. En complément
à l'étude de l'écoulement libre de ces bétons, nous nous sommes intéressés à la prédiction des
risques de blocage et de ségrégation auxquels ils sont soumis lors du coulage. Nous proposons
enfin une méthode de formulation pour ces bétons, qui seront amenés probablement à se
développer de plus en plus dans l'avenir. A ce propos, nous signalons que d'autres termes sont
utilisés pour décrire ces bétons, et notamment bétons autocompactants. Ce dernier paraît plus
approprié, puisqu'il s'agit bien dans ce mémoire, de bétons ayant la propriété de s'écouler et de
se compacter sous leur propre poids, sans apport de vibration. Toutefois le sigle BAC étant
déjà utilisé pour le béton armé continu nous avons préféré conservé le terme béton
autonivelant (BAN). Enfin, une discussion devrait avoir lieu dans les mois qui viennent, pour
décider d'une appellation commune dans le milieu francophone.

Ce mémoire de thèse reprenant des travaux dont une partie a fait l'objet de publications, on
trouvera un certain nombre de celles ci dans le corps du texte, complétées par des parties
originales. Afin d'éviter des répétitions fastidieuses pour le lecteur, certains éléments de nature
bibliographiques sont placés dans les articles, et ne sont donc pas repris dans la synthèse qui
suit.
4
1. Synthèse bibliographique et axes
de recherche
Nous allons, dans les paragraphes suivants, et au travers de l'exemple des bétons autonivelants
présenter les difficultés auxquelles se trouve confronté un formulateur lorsqu'il doit répondre à
un cahier des charges de béton à l'état frais. Nous en tirerons des axes de recherches que nous
développerons dans ce document.
1.1. LES BETONS AUTONIVELANTS
L'article qui suit a été publié dans le Bulletin de liaison des Laboratoires des Ponts et
Chaussées en 1995 [50]. On y présente un aperçu des propriétés que l'on requiert des bétons
autonivelants, de leur spécificité d'un point de vue formulation et des outils disponibles pour
les caractériser.
5Les bétons autonivelants
Synthèse bibliographique
Thierry SEDRAN
Ingénieur des Travaux Publics de I'Etat
Section Formulation et mise en œuvre des bétons
Division Bétons et ciments pour ouvrages d'art
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
Introduction
Les bétons autonivelants ou BAN (appelés également
autoplaçants par nos collègues québécois) sont des
bétons spéciaux, très fluides, qui se mettent en place et
se serrent sous le seul effet de la gravité, donc sans
apport de vibration interne ou externe, même dans des
coffrages très ferraillés. Ces bétons ne sont évidemment
qualifiés d'autonivelants que si le matériau durci final
présente des propriétés homogènes, c'est-à-dire s'il n'a
pas subi de ségrégation. À titre d'exemple, les bétons
fluidifiés, par ajout d'un excès d'eau, que l'on rencontre
(trop ?) fréquemment dans l'industrie du bâtiment, ne
rentrent pas dans cette catégorie, car une telle fluidifica-
tion se fait au détriment de la résistance, de la durabilité
RÉSUMÉ
et de la qualité de parements des bétons. Les bétons
Une nouvelle génération de bétons venant du autonivelants dont il s'agit ici sont plus particulièrement
Japon est apparue ces dernières années : les
destinés à la construction d'ouvrages d'art et répondent bétons autonivelants (BAN). Ces bétons sont très
fluides et se mettent en œuvre sous le seul effet donc à un cahier des charges plus sévère.
de la gravité, donc sans apport de vibration, même
dans des coffrages complexes et très encombrés, L'idée de ces bétons a été lancée vers le milieu des
tout en donnant un produit final homogène.
années 1980 par les chercheurs de l'université de Tokyo,
L'expérience japonaise a mis en évidence la faisa-
bilité de ces bétons sur des chantiers importants puis a été reprise rapidement par les grands groupes
ainsi que leur intérêt technico-économique. industriels japonais (Taisei, Kajima, Obayashi, etc.)
Toutefois, l'utilisation de ces bétons ne se répand
pour des projets d'envergure. Ces bétons connaissent un que lentement dans les autres pays, car leur for-
mulation est inhabituelle et nécessite une certaine essor important au Japon, car ils présentent deux intérêts
expérience.
technico-économiques :
Après avoir décrit le cahier des charges des BAN,
- une diminution du temps de personnel lors de la mise
cet article fait une synthèse critique des essais
développés pour leur mise au point, puis illustre en place du béton en chantier. Cela est d'autant plus
les spécificités des BAN à travers quelques exem- important qu'elle devient de plus en plus coûteuse et
ples de chantier. L'article conclut enfin sur l'avenir
génératrice de délais, étant donné la complexité sans des BAN et la nécessité d'établir une méthodo-
logie de formulation propre à ces matériaux. cesse croissante des coffrages (formes, ferraillages),
- l'obtention d'une meilleure qualité du béton, in situ, MOTS CLÉS : 32 - Béton hydraulique - Japon -
Viscosité - Mise en œuvre (appl.) - Gravité (pe- pratiquement indépendante du savoir-faire des ouvriers
santeur) - Composition du mélange - Essai -
durant la réalisation. Cela va dans le' sens d'une durabi-
Chantier - /béton autonivelant - béton autoplaçant.
- lité accrue des ouvrages.
6 BUII. liaison Labo. P. et Ch. - 196 - mars-avr. 1995 - ~6f. 3889