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Une nouvelle méthode de formulation du bap

  1. 1. Une nouvelle méthode de formulation des bétons autoplaçants (BAP) Jie Shen, Ismail Yurtdas*, Cheikhna Diagana & Alex Li Laboratoire de Génie Civil, GRESPI, Université de Reims Champagne Ardenne, UFR Sciences, Moulin de la Housse, 51687 Reims Cedex 2 jie.shen@etudiant.univ-reims.fr, ismail.yurtdas, cheikhna.diagana, alex.li (@univ-reims.fr) RÉSUMÉ. Une nouvelle méthode de formulation pour les bétons autoplaçants (BAP) de résistance ordinaire et à haute performance est proposée dans cet article. La résistance à la compression du BAP au jeune âge est également prise en considération pour les besoins de l'industrie de préfabrication. Deux types de mesures tels que la masse volumique pour le granulat et l'étalement pour la pâte sont nécessaires pour fabriquer un BAP. L'influence du superplastifiant sur la fluidité de la pâte est également considérée en utilisant une méthode de plan d’expérience. Afin d’évaluer la méthode de formulation proposée, plusieurs BAP avec différentes résistances à la compression fixées, de 30 à 70 MPa à 28 jours (10 à 50 MPa à 1 jour), ont été fabriqués. L'analyse des résultats obtenus à l’état frais et à l’état durci montre l'efficacité et la simplicité de la nouvelle méthode de formulation. ABSTRACT. A new mix design method for ordinary and high performance self compacting concretes (SCC) are proposed in this paper. The compressive strength of SCC at early age is also taken into account in the mix design development for the needs of pre- cast industry. Only two types of experiment such as the measurement of bulk density for aggregate and the slump flow for paste are necessary to manufacture a SCC. The influence of superplasticizer on the fluidity of paste is also considered by using a statistical experimental design method. In order to evaluate the proposed mix design method, several SCC with various target compressive strengths, from 30 to 70 MPa at 28 days (10 to 50 MPa at 1 day), were fabricated. The analysis of obtained results at fresh and hardened states shows the efficacy and the simplicity of the new mix design method. MOTS-CLÉS : Béton autoplaçant, formulation, packing factor, pâte, plan d’expérience, résistance à la compression. KEY WORDS: Self-compacting concrete, mixture proportioning, packing factor, paste, statistical experimental design, compressive strength.
  2. 2. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 2 1. Introduction La formulation de BAP est beaucoup plus complexe que celle de béton ordinaire. Pour l’instant, il n’existe pas de méthode générale de formulation pour le BAP. Cependant, plusieurs méthodes de formulation ont été développées dans des pays différents. Okamura et Ouchi [OKA 03] ont premièrement proposé une méthode empirique de formulation du BAP au Japon. La méthode développée par O. Petersson et al. [PET 99] vise à trouver la teneur maximale de granulat sans provoquer de blocage autour des armatures. Bui et al. [BUI 99] ont amélioré cette méthode en ajoutant un critère de phase liquide. Dans la méthode proposée par N. Su et al. [SUN 01], un coefficient de packing factor (PF) est introduit pour ajuster la teneur relative de granulat et de pâte. Sedran et de Larrard [SED 99] ont développé un modèle mathématique, appelé modèle d'empilement compressible, permettant de prévoir les comportements du BAP à l'état frais, en fonction des propriétés du squelette granulaire. Récemment, basé sur le travail d’A.W. Saak et al [SAA 01], L. Ferrara et al. [FER 01] ont établi une zone autoplaçante pour la formulation du BAP fibré. Une nouvelle méthode de formulation de BAP a été proposée dans cet article tout en nous servant des méthodes existantes. Elle a l’avantage d’être simple à utiliser. En effet, seulement deux types d'essais, à savoir essai de compactage pour le granulat et essai d'étalement pour la pâte, sont nécessaires. La première particularité de la méthode est la prise en compte directe de l’influence de superplastifiant sur le comportement de la pâte à l’état frais. Ceci a été réalisé à l’aide d’un plan d’expérience permettant de relier la pâte de ciment (ou la pâte de filler), le superplastifiant et l’étalement de la pâte grâce à un petit nombre d’essais. La deuxième particularité est le développement d’un nouveau processus de calcul de mélange de la pâte et des granulats basé sur la théorie d’excès de pâte. La dernière particularité de cette méthode est qu’elle permet de confectionner aussi bien des bétons ordinaires que ceux à hautes performances pour une valeur de résistance préalablement fixée. 2. Méthode de formulation L’idée principale de cette méthode consiste à déterminer le compactage maximal du granulat en mesurant sa masse volumique avec différents rapports du sable sur le granulat puis à calculer la quantité de liants (ciment et addition minérale) en se basant sur la résistance à la compression du BAP souhaitée. En outre, les pâtes formant le liant (ciment et addition minérale) du mélange doit avoir la même fluidité. Par ailleurs, le dosage du superplastifiant du BAP est déterminé en fixant une valeur cible d'étalement par le biais de mortier avec l'essai d'étalement au cône. Les essais de vérification à l’état frais tels que l’étalement au cône d’Abrams, l’écoulement à la boîte en L, la stabilité au tamis (recommandations de l‘AFGC [AFG 00]) et l’écoulement à l’entonnoir (directives européennes [GUI 05]), sont effectués après le malaxage pour vérifier la formulation du BAP. Dans cet article, les classes correspondant aux utilisations
  3. 3. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 3 normales du BAP (i.e. poteau, poutre, etc.) sont choisies: la classe SF2 (diamètre d’étalement : 660-750mm), VS2/VF2 (T500>2s ou temps de passage à l’entonnoir : 9-25s), PA2 (ratio de remplissage>0,80 avec 3 barres d’acier) et SR2 (taux de ségrégation<15%) [GUI 05]. Notez que le BAP devrait également être conforme aux exigences de durabilité prescrites par la norme EN 206-1. y = -150x 3 - 670x 2 + 989x + 1485 R 2 = 0.997 y = 740x 3 - 2148x 2 + 1716x + 1569 R 2 = 0.998 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 0% 20% 40% 60% 80% 100% Masse du sable/Masse du granulat Avant Compactage Après Compactage Masse Volumique [kg/m 3 ] Figure1 : Essai de compactage selon ASTM C29/C29M. 2.1. Granulat 2.1.1. Essai de compactage Le granulat devient plus compact dans le processus de mélange, car l'effet lubrifiant de la pâte diminue le frottement entre les grains et facilite le tassement de granulat. La norme ASTM C29/C29M [AST 03] permet de simuler ce processus de tassement par la mesure de la masse volumique de granulat avant (shovel procedure) et après compactage (rodding procedure). Le rapport de sable sur granulat est varié de 0 à 100 %. Les mesures effectuées permettent d’obtenir, par régression, des courbes représentant le mieux les données expérimentales, comme le montre la figure 1. Sur la courbe avant compactage se trouvent deux points particuliers : granulat/sableR = 0 % correspondant à la masse volumique apparente de gravillon gravillon! et =100% correspondant à celle de sable sable! . Le rapport optimal du sable sur le granulat granulat/sableR se trouve au sommet de la courbe après compactage. Le packing facteur PF, défini comme étant le rapport de la masse volumique du granulat après et avant compactage, est obtenu au point correspondant au rapport optimal granulat/sableR : avant apres PF ! ! = [1]
  4. 4. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 4 Notons qu’en connaissant la quantité de granulat par unité de volume avant le mélange avec la pâte, la quantité finale de granulat sera facilement déduite en la multipliant avec le PF. 2.1.2. Quantité de granulat Le volume du sable et du gravillon avant compactage sont désignés respectivement par sableV et gravillonV . Ainsi, leurs masses correspondantes sont sablesablesable Vm != et gravillongravillongravillon Vm != . Afin de déterminer sableV et gravillonV , deux conditions peuvent être établies : granulat/sable sablesablegravillongravillon sablesable R VV V = + !! ! [2] 1=+ gravillonsable VV [3] La masse finale de granulat dans un volume unitaire est obtenue en utilisant la définition de PF: )VV(PF)mm(PFM gravillongravillonsablesablegravillonsablegranulat !! +=+= [4] 2.2. Pâte Deux types de ciment CEM I 52,5R et CEM II 32,5 R ont été employés pour confectionner le BAP avec les résistances à la compression différentes. Le premier permet d’obtenir le BAP à haute performance (fc28≥50MPa) tandis que le second conduit à des bétons de résistance moyenne (30MPa< fc28 <50MPa). Notons que le filler calcaire a été utilisé en tant qu'addition minérale dans les deux cas. La formulation du BAP avec CEM I 52,5R est présentée dans la suite et la confection du BAP avec CEM II 32,5R peut se réaliser suivant le même processus en remplaçant le rapport de E/L par E/C. 2.2.1. Quantité de liant La résistance à la compression du BAP peut être calculée par la formule de Bolomey [DUP 04] : ! " # $ % & '= 5028 , E L Gff cimentc [5] L est le liant équivalent [DUP 04] et se compose de ciment C et d’une partie d’additions minérales A, soit L=C+kA.
  5. 5. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 5 La fourchette du rapport )FC( F + est de [20%, 25%], d’où : mCF = , [ ]330250 ,;,m! [6] Le volume de pâte pateV peut être exprimé comme suit: aireaufillercimentpate VVVVV +++= [7] Finalement, la quantité de ciment (C), filler (F) et eau (E) sont obtenues : ! ! ! ! ! " # $ $ $ $ $ % & !! " # $$ % & + + ++ ' = 50 11 28 , Gf f d km d m d VV C ciment c eau fillerciment airpate [8] !! " # $$ % & ++ '! " # $ % & ''!! " # $$ % & + = 50 1 50 28 , Gf f dd k d C d C VV, Gf f F ciment c fillereau eauciment airpate ciment c [9] )( fillercimrntairpateeau VVVVdE !!!= [10] 2.2.2. Fluidité de pâte avec prise en compte de l’effet de superplastifiant La composition de pâte est complètement déterminée en fixant la valeur la résistance à la compression du BAP. Cependant, il faut vérifier que la pâte de ciment et la pâte de filler présentent la même fluidité en faisant des essais d'étalement au cône. Ainsi, le dosage du superplastifiant peut être simplement ajusté pour que les comportements du BAP à l'état frais soient conformes aux exigences. Comme le rapport de E/L pour le BAP à haute performance (fc28>50MPa) est habituellement inférieur à 0,5, la fluidité de la pâte sera trop petite pour être mesurable sans addition de superplastifiant. Il est donc nécessaire de prendre en compte l'influence de superplastifiant dans les essais d'étalement pour les pâtes. L’égalité de fluidité des pâtes est établie avec la condition que l’étalement des pâtes soit identique pour un même dosage de superplastifiant (en % de masse de liants). Pour ce faire, toute la quantité d'eau E peut être divisée en deux parts : une part est l'eau exigée par le ciment Ec et l'autre est l'eau exigée par le filler calcaire Ef. Les rapports Ec/C et Ef/F pourraient être déterminés à l’aide des abaques (figure 2) afin de calculer la quantité de Ec et Ef. Les abaques décrivant la relation
  6. 6. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 6 entre l’étalement de la pâte, le rapport Ec/C ou Ef/F et le dosage du superplastifiant sont établies par la méthode du plan d’expérience [GOU 99] dans laquelle un modèle polynomial du 2ème degré est utilisé et la distribution des points expérimentaux suit le plan de Doehlert [GOU 99]. Figure 2 : Abaques pour la détermination du rapport Ec/C et Ef/F. 2.3. Dosage de superplastifiant Les abaques établis ne permettent pas de connaître et de fixer définitivement le dosage de superplastifiant pour le BAP. Ce dosage est estimé grâce à l’essai d’étalement sur le mortier effectué avec le même cône que celui utilisé pour la pâte. On considère que le dosage de superplastifiant est convenable quand l'étalement du mortier tombe sur une valeur ou dans une fourchette de valeur ciblée. Une fois déterminée, la valeur ciblée peut être utilisée pour tous les BAP utilisant les mêmes matériaux. Ainsi, les essais effectués dans notre laboratoire, en tenant en compte des données de la littérature, ont conduit à trouver des valeurs ciblées suivantes : un étalement de 34 cm pour le mortier avec CEM I 52,5 R et de 36 cm pour le mortier avec CEM II 32,5 R. 3. Campagne expérimentale et présentation des résultats Cinq différentes compositions (tableau 1) sont mises en place afin de montrer l’efficacité de la formulation proposée et sont obtenues en variant le PF et le rapport de W/L ou W/C. La gamme de résistance des bétons varie de 30 à 70 MPa à 28 jours (10 à 50 MPa à 1 jour). Le tableau 2 montre les résultats obtenus à l’état frais et à l’état durci. On constate que le temps de passage à l’entonnoir est inférieur à 9 s pour les BAP1 et BAP2. Cependant, aucun phénomène du blocage ni de ségrégation n’a été observé pour ces deux BAP. Par conséquent, les BAP mis en œuvre respectent bien les exigences recommandées par [AFG 00] et [GUI 05]. Par ailleurs, les masses volumiques du BAP frais sont très proches des 0.25% 0.30% 0.35% 0.40% 0.45% 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42 Superplastifiant E c / C 170 170 200 200 200 230 230 230 250 250 250 250 270 270 270 270 290 290 290 290 310 310 310 3 3 0 330 330 330 3 5 0 350 350 3 7 0 370 370 3 9 0 390 4 1 0 410 4 3 0 4 5 0 310 0.30% 0.32% 0.34% 0.36% 0.38% 0.40% 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 0.195 0.2 Superplastifiant E f / F 160 180 200 200 220 220 240 240 260 260 2 6 0 280 280 2 8 0 300 300 30 0 320 320 3 2 0 3 2 0 340 340 3 4 0 3 4 0 3 6 0 3 6 0 360 360 3 8 0 3 8 0 380 40 0 4 0 0 400 4 1 0 4 10 4 2 0 4 20 4 3 0
  7. 7. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 7 valeurs théoriques basées sur le PF, montrant ainsi que les essais du compactage de granulat effectués suivant les règles d’ASTM C29/C29M se conforment bien au compactage réel du BAP. Pour les BAP utilisant le ciment CEM I 52,5R (BAP4 et BAP5), la résistance à la compression au bout d’1 jour peut atteindre environ 70 % de celle à 28 jours (tableau 2). Par contre, pour le BAP utilisant le ciment CEM II 32,5R (BAP1- BAP3), la résistance à la compression au jeune âge augmente plus lentement et manifeste une variation plus grande, de l’ordre de 30-50 % de celle à 28 jours. Cela peut être expliqué par la différence de processus d’hydratation des deux ciments. En effet, le ciment CEM I 52,5R contient plus de clinker que CEM II 32,5R. De plus, la finesse Blaine est plus grande pour CEM I 52,5 R. Par conséquent, la vitesse de réaction d'hydratation pour CEM I 52,5R est plus rapide que celle du ciment CEM II 32,5R. Ainsi, les BAP avec CEM I 52,5R présentent une résistance plus élevée au jeune âge. BAP1 BAP2 BAP3 BAP4 BAP5 Résistance envisagée à 1j (MPa) 10 20 30 40 50 Résistance envisagée à 28j (MPa) 30 40 50 60 70 Gravillon (4/10mm) (kg/m3 ) ---- ---- ---- 775 761 Gravillon (4/14mm) (kg/m3 ) 800 793 787 ---- ---- Sable (0/4mm) (kg/m3 ) 977 968 959 988 970 Ciment I 52,5 R (kg/m3 ) ---- ---- ---- 350 390 Ciment II 32,5 R (kg/m3 ) 310 380 430 ---- ---- Filler (kg/m3 ) 78 76 79 100 107 Eau totale (kg/m3 ) 183 166 155 171 168 Superplastifiant (kg/m3 ) 4,0 5,4 6,2 6,3 7,0 PF 1,12 1,11 1,10 1,12 1,10 W/L ou W/C 0,59 0,44 0,36 0,46 0,40 Tableau 1 : Compostions des BAP. BAP1 BAP2 BAP3 BAP4 BAP5 Etalement au cône d’Abrams (660-750mm) 690 740 670 730 735 Ecoulement à l’entonnoir (9-25s) 2 8 20 10 15 Ecoulement à la boîte en L (>0,8) 0,89 1 0,84 0,97 0,9 Stabilité au tamis (<15%) 13,2 14,5 3,2 10 8,5 Teneur en air (%) 1,0 0,9 1,0 1,4 1,3 Masse volumique mesurée (kg/m3 ) 2351 2395 2415 2395 2388 Masse volumique théorique (kg/m3 ) 2348 2385 2414 2385 2393 Résistance mesurée à 1j (MPa) 9,3 22,9 28,6 40,5 48,8 Résistance mesurée à 28 j (MPa) 29,1 47,1 57,9 58,9 68,8 Tableau 2 : Caractérisation des BAP à l’état frais à l’état durci.
  8. 8. XXVIe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Nancy, 4 au 6 juin 2008 8 4. Conclusion Une nouvelle méthode de formulation a été proposée dans cet article en nous basant sur des travaux antérieurs. Les résultats des essais à l'état frais permettent de constater que la méthode conduit bien à la formulation des BAP dans une fourchette assez grande de résistance à la compression. Les résultats des essais à l'état durci confirment que les BAP obtenu sont en bon accord avec la résistance à la compression ciblée. 5. Bibliographie [AFG 00] AFGC (Association Française de Génie Civil), Bétons Auto-Plaçants Recommandations Provisoires, Juin 2000. [AST 03] ASTM C29/C29M-97, Bulk Density (“Unit Weight”) and Voids in Aggregate, reapproved 2003. [BUI 99] BUI V. K. and MONTGOMERY D., «Mixture porportioning method for self- compacting high performance concrete with minimum paste volume», Proceedings of the First International RILEM Symposium of Self-Compacting Concrete, 1999, Paris, RILEM Publications S.A.R.L, p. 373-384. [DUP 04] DUPAIN R., LANCHON R., SAINT-ARROMAN J.C., Granulats, sols, ciments et bétons, Paris, Editions CASTEILLA, 2004. [FER 01] FERRARA L., PARK Y.D., SHAH S. P., «A method for mix-design of fiber- reinforced self-compacting concrete», Cement and concrete Research, vol.37, n° 6, 2007, p. 957-971. [GOU 99] GOUPY J., Plan d’expériences Pour Surfaces de Réponse, Paris, Edition DUNOD, 1999. [GUI 05] The European Guidelines for Self-Compacting Concrete Specification, Production and Use, 2005. [OKA 03] OKAMURA H., OUCHI M., «Self-Compacting Concrete», Journal of Advance Concrete Technology, vol. 1, n° 1, 2003, p. 5-15. [PET 99] PETERSSON P., BILLBERG P., VAN B. K., «A model for self-compacting concrete», Proceedings of International RILEM Conference on Production methods and workability of concrete, 1999, Paris, RILEM Publications S.A.R.L, p. 333- 344. [SAA 01] SAAK A.W., JENNINGS H.M., SHAH S.P., «New methodology for designing self- compacting concrete», ACI Materials Journal, vol. 98, n° 6, 2001, p. 429-439. [SED 99] SEDRAN T., DE LARRARD F., «Optimization of self compacting concrete thanks to packing model», Proceedings of the First International RILEM Symposium of Self- Compacting Concrete, 1999, Paris, RILEM Publications S.A.R.L, p.321-332. [SUN 01] SU N., HSU K.C., CHAI H.W., «A simple mix-design method for self compacting concrete», Cement and concrete Research, vol. 31, n° 12, 2001, p. 1799-1807.

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