Ressuage des matériaux cimentaires : origine physique et changement d'échelle

Bleeding of cementitious materials

• Auteur / Autrice : Nadia Massoussi
• Direction : Nicolas Roussel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 10/10/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Chateau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Roussel, Sabine Balleur-Darson, François Cussigh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot, Geert De Schutter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ciment

Béton

Ressuage (résistance des matériaux)

Mots clés libres

Fondations profondes

Consolidation

Ressuage

Deep foundations

Consolidation

Bleeding

Résumé

Au vu de la différence de densité entre les composants minéraux solides et l’eau entrant dans la composition d’un béton, une instabilité gravitaire peut apparaître et provoquer une séparation de phase. Cette séparation est à l’origine de la formation d’une pellicule d’eau à la surface du béton et est appelé ressuage. Malgré le fait que le ressuage peut directement ou indirectement nuire aux propriétés finales du béton durci, les connaissances existantes ne permettent pas de prédire ce phénomène ou de le corréler à la formulation du béton. L’objectif de cette thèse est d’identifier la physique mise en jeu lors du phénomène de ressuage de façon à proposer à la fois une méthodologie de mesure adaptée et un cadre théorique prédictif.La démarche retenue consiste à commencer par l’étude d’un matériau simple tel qu’une pâte de ciment en laboratoire pour terminer à l’échelle plus complexe d’un béton de fondation coulé sur chantier.Dans une première partie, nos résultats expérimentaux sur pâte de ciment suggèrent que le ressuage ne peut pas être considéré comme un simple phénomène de consolidation homogène d'un matériau poreux déformable mais comme un phénomène de consolidation hétérogène conduisant à la formation de canaux préférentiels d'extraction d'eau. Nous montrons ainsi l'existence de trois régimes de ressuage : une période d'induction, une période d’accélération et une période de consolidation. Seuls les deux derniers régimes avaient été observés et discutés jusqu'à maintenant dans la littérature. Nos résultats suggèrent que la formation de ces canaux préférentiels semble être initiée par les défauts du système (les bulles d’air au premier ordre).Dans une seconde partie, les deux essais normalisés utilisés à ce jour dans la pratique industrielle pour la mesure du ressuage des bétons sur chantier, l’essai ASTM et l’essai Bauer, sont étudiés. Nous montrons que ces essais capturent des aspects différents du ressuage et qu’ils ne peuvent donc être corrélés. Nous montrons par ailleurs l’existence de limites dans la capacité de ces essais à capturer le risque de ressuage pour un béton donné. Des modifications de protocole sont alors proposées pour améliorer ces essais et leur permettre de fournir les données nécessaires à la prédiction du ressuage à l’échelle de la fondation.Enfin, nous étudions à la fois les différences entre ressuage d’une pâte de ciment et ressuage d’un béton et l’influence de la hauteur totale de matériau soumis au ressuage. La forte dépendance de la vitesse de ressuage à la profondeur est mise en évidence dans le cas des bétons. Un modèle permettant d’extrapoler une vitesse de ressuage dans une fondation à partir d’une mesure de ressuage à l’aide de l’essai ASTM est proposé. Ce modèle est validé sur des essais de laboratoire et des fondations réelles.Mots clés : ressuage, béton, pâte de ciment, consolidation, effet d’échelle

Due to the density differences between the solid mineral components and the suspending water, gravity can induce phase separation in concrete. This phase separation is at the origin of the formation of a film of water on the upper surface of fresh concrete, commonly known as bleeding. Although bleeding is known to directly or indirectly affect the final properties of hardened concrete, the existing knowledge does not allow for the prediction of this phenomenon or its correlation to mix proportions. The objective of this thesis, therefore, is to identify the physics behind the bleeding phenomenon in order to propose both an adapted measurement methodology and a predictive theoretical framework.The approach adopted is to start from the study of a simple model material, a cement paste in the laboratory, and upscale to the more complex scale of concrete poured into a real foundation on site.In the first part, our experimental results on cement paste suggest that bleeding cannot be simply described as the consolidation of a soft porous material, but, in fact, is of an obvious heterogeneous nature leading to the formation of preferential water extraction channels within the cement paste. We thus show the existence of three bleeding regimes: an induction period, an acceleration period, and a consolidation period. Only the last two regimes had been observed and discussed in the literature. Our results suggest that the formation of these preferential channels seems to be initiated by system defects (air bubbles at first order).In the second part, the two industrial standard tests used for the measurement of bleeding on site, the ASTM test and the Bauer test, are studied. We show that these tests capture different aspects of bleeding, and therefore, cannot be correlated. We also show the existence of limits in the capacity of these tests to capture the risk of bleeding for a given concrete. Changes and improvements are proposed in order to enable these tests to provide the data necessary for the prediction of bleeding at the concrete foundation scale.Finally, in the last part, we study the differences between the bleeding of a cement paste and the bleeding of a concrete and the influence of the total height of material subjected to bleeding. The high dependence of the bleeding rate on the depth of the foundation is captured in the case of concretes. A model is proposed to extrapolate a bleeding rate in a foundation from a bleeding measurement using the ASTM test. This model is validated on laboratory tests and on onsite measurements of real concrete foundations.Keywords: bleeding, concrete, cement paste, consolidation, scale effect