Pompabilité des bétons autoplaçants à faible teneur en liant : Étude des mécanismes de formation de la couche limite

Pumpability of low binder content self-consolidating concrete : Investigation of the mecanisms of lubrication layer formation

• Auteur / Autrice : Baba-Issa Ouro Koura
• Direction : El-Hadj Kadri, Ammar Yahia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 17/09/2020
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université de Sherbrooke. Chaire CRSNG-industrie sur l'auscultation des structures en béton
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2006-....) - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Président / Présidente : Rachid Bennacer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : El-Hadj Kadri, Ammar Yahia, Arnaud Perrot, François Cussigh, Abdelhak Kaci, Richard Gagné
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot

Mots clés

Mots clés libres

BAP-Éco

Couche de limite

Rhéologie

Dilatance de Reynolds

Approche diphasique

Mortier fin

Eco-SCC

Lubrication layer

Rheology

Reynolds dilatancy

Biphasic approach

Fine mortar

Résumé

L’utilisation croissante des bétons autoplaçants (BAP) a soulevé la question de leur impact environnemental en raison de leurs volumes de liant élevés, justifiant l’intérêt récent pour le développement des BAP à faibles teneurs en matériaux cimentaires (BAP-éco). En outre, dans la plupart des applications, la mise en place des BAP se fait par la technique de pompage grâce à ses nombreux avantages notamment la facilité d’acheminer le matériau jusqu’à des zones de mise en place difficiles d’accès. La pompabilité du béton dépend de la capacité de ce matériau à former une couche limite (CL) et des propriétés de celle-ci. Malgré les récentes avancées enregistrées dans ce domaine, prédire la pompabilité du béton reste un défi important. En effet, en plus des propriétés rhéologiques du béton, une bonne connaissance de la rhéologie et de l’épaisseur de CL qu’il peut former est nécessaire. Cependant, l’identification du matériau de cette couche lors du pompage est très difficile. En plus, les mécanismes de sa formation sont moins connus. Ce qui limite les connaissances actuelles sur l’évaluation de ses caractéristiques et leurs variations.Ce projet de thèse vise d’abord à développer une approche pratique pour la formulation des BAP à teneur en liant faible et normale. Ensuite, l’étude vise à proposer une approche pour évaluer les propriétés rhéologiques de CL. Enfin, il sera question d’étudier les mécanismes potentiels intervenant dans la formation de LL et mettre en évidence les principaux paramètres qui les gouvernent. Dans cette étude, le BAP est considéré comme un mélange diphasique constitué de gros granulats (> 1,25 mm) et d’une matrice fluide, de mortier fin (< 1,25 mm). Ainsi, une approche d’optimisation de BAP basée sur les caractéristiques de ces deux phases a été proposée. En outre, une méthodologie établie a permis d’évaluer les propriétés rhéologiques de CL qui a été simulée comme une suspension des particules fines de sable (< 1,25 mm) et de la pâte de ciment. Les résultats ont montré l’effet significatif des particules fines de sable ainsi que la rhéologie de la pâte de ciment sur les propriétés visco-élastoplastiques de CL. Les principaux mécanismes de la formation de CL qui sont la ségrégation dynamique et la dilatance de Reynolds ont été investiguées respectivement à travers un nouvel indice de ségrégation et un nouvel essai de dilatance. D’autres phénomènes comme le blocage pouvant apparaître lors du pompage de BAP et influencer la formation de CL ont été également évalués.L’approche d’optimisation proposée permet de déterminer les propriétés du mélange granulaire et du mortier fin nécessaires pour l’obtention d’un BAP de performances d’ouvrabilité et mécaniques visées. L’approche diphasique du BAP a permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation de CL à travers l’influence des caractéristiques des deux phases du mélange de BAP. Les résultats ont montré une plus faible ségrégation dynamique des BAP-éco par rapport aux BAP conventionnels. Par ailleurs, Les deux types de BAP développent une dilatance de Reynolds comparable de l’ordre de 1% du volume initial lors de leur cisaillement. Le degré d’empilement initial du squelette granulaire s’est révélé comme paramètre dominant les mécanismes de formation de CL. Ce paramètre dépend directement des caractéristiques morphologiques des granulats. Afin de faciliter le choix du mélange granulaire optimal pour une meilleur pompabilité du BAP, une nouvelle méthode est mise en place pour déterminer les principales caractéristiques morphologiques des granulats qui gouvernent leurs compacités. Par la suite, des modèles de prédiction de l’ensemble des mécanismes de formation de CL en fonction des caractéristiques morphologiques des granulats et les propriétés du mortier fin ont été proposés. A partir des résultats issus de cette étude, différents mélanges de BAP conventionnel et BAP-éco ont été recommandés selon leur performances d’écoulement.

The increase in the use of Self-consolidating concrete (SCC) raises the problem of their environmental impact, justifying the recent interest in the development of SCC with low binder content (eco-SCC). On the other hand, in most of concrete applications, the casting of SCC is conducted by pumping process due to its numerous advantages, including the ease to transport the material into the casting zones that are barely accessible. The pumpability of SCC depends on the ability of the material to form lubrication layer (LL) as well as its properties. Despite the numerous advances in this domain, predict the pumpability of concrete remains a real challenge. In fact, this requires besides the rheology of the concrete, a good control of the rheological properties and the thickness of LL this concrete could form. However, it is very difficult to identify the LL material during the pumping process. Moreover, the mechanisms of its formation still are less well understood. This limit the determination of LL characteristics and their variations.This project aims firstly to develop an effective approach to proportion SCC with normal and low binder content. Secondly, the study aims to develop an approach to determine the rheological properties of LL. Finally, the project deal with the study of the potential mechanisms involved in the formation of the LL and determine the main parameters controlling these mechanisms. In this project, SCC is considered as a diphasic suspension of coarser particles (> 1.25 mm) in a fluid matrix of fine mortar (< 1.25 mm). A new approach based on the coupled effect of the characteristics of both suspending (fine mortar) and suspended (coarse aggregate) phases was proposed to proportion SCC. Furthermore, new methodology was established to evaluate the rheological properties of the LL, simulated as a diphasic suspension of fine sand (< 1.25 mm) and cement paste. The results showed the significant effect of the volumetric content and packing density of fine sand, as well as cement paste rheology on the visco-elastoplastic characteristics of the lubrication layer. The main mechanisms of LL formation, namely dynamic segregation and Reynolds dilatancy were investigated through a new segregation index and a new established test of Reynolds dilatancy. Other phenomena such as blocking that can occur during the pumping process and influence the formation of LL are evaluated through new proposed test.The proposed optimization approach allows to determine the required characteristics of granular skeleton and fine mortar mixture to obtain SCC with the desired flowability and mechanical performances. The adopted diphasic approach of SCC mixture allowed a better comprehension of the mechanisms of LL formation. The results showed low dynamic segregation of eco-SCC compared to normal SCC. On the other hand, the normal and eco-SCC exhibited comparable Reynolds dilatancy of around 1 % of the initial volume of the mixture. The relative packing density of coarse aggregate was found to govern the mechanism of LL formation. In order to facilitate the selection of the optimal mixture of aggregate for better pumpability, attempt was made to determine the morphological characteristics of aggregate that control their packing density. Then empirical models were established to predict all the phenomena involved in LL formation based on morphological aggregate morphological characteristics and fine mortar mixture properties. Based on the results of this project, different normal and eco-SCC mixtures were recommended regarding their flow performances.