Influence of the fresh state properties of 3D printable concrete on the steel-concrete bonding and durability

par Bilal Baz

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Sébastien Rémond et de Georges Aouad.

Soutenue le 19-11-2020

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai en cotutelle avec l'Université de Balamand (Tripoli, Liban) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) , en partenariat avec IMT Lille Douai (laboratoire) .

Le président du jury était Roger Lteif.

Le jury était composé de Naïma Belayachi, Khadija El Cheikh, Didier Lesueur.

Les rapporteurs étaient Eric Garcia-Diaz, Yahia Ammar.

  • Titre traduit

    Influence des propriétés à l'état frais des bétons imprimables 3D sur la liaison acier-béton et sur la durabilité


  • Résumé

    La fabrication additive ou impression 3D est la technique la plus récente introduite dans le secteur de la construction. De nombreuses questions restent posées, notamment la maîtrise des propriétés à l'état frais et durci du matériau utilisé, et la stratégie de renforcement pour fournir la ductilité et les capacités structurelles des éléments.Cette thèse traite de l’effet des propriétés à l’état frais du matériau sur l’état durci et sur la réponse mécanique des éléments imprimés. Le travail a commencé par la formulation et la caractérisation rhéologique de nouveaux mélanges imprimables. La thixotropie des mortiers, c’est à dire de la variation du seuil de cisaillement au cours du temps, a été particulièrement étudiée et permet une meilleure compréhension de l'effet de certains adjuvants chimiques et minéraux sur la vitesse de structuration du mélange. Ensuite, la relation entre la rhéologie du matériau et la liaison développée avec les armatures a été explorée, en tenant compte de la direction des couches par rapport à la barre sur la qualité de la liaison. Enfin, cette recherche comprend une caractérisation microstructurale des matériaux imprimés, ainsi qu'une évaluation de la durabilité des éléments imprimés lorsqu'ils sont soumis à des attaques d'acide sulfurique.Plus précisément, l'évolution du seuil de cisaillement a été mesurée pour différents mélanges imprimables sur une certaine période de temps à l'aide du pénétromètre à chute libre, et l'effet de certains additifs chimiques et minéraux a été examiné. Ici, il a été constaté que les paramètres de formulation influencent le taux de structuration du mélange, mais dans des amplitudes différentes. En particulier, l'ajout de superplastifiant, de filler calcaire et l’augmentation du dosage en eau diminuent le taux de structuration du matériau, alors que l’agent de viscosité l'augmente. Ensuite, l'effet de la rhéologie du matériau, de la méthode d'impression et de la direction des couches par rapport à la barre, sur la qualité de la liaison acier/béton imprimé a été étudié à travers des tests d'arrachement sur des éléments imprimés réalisés manuellement ou à l'aide d'une imprimante automatisée. Ici, différents mélanges avec des ouvrabilités et des comportements thixotropes différents ont été utilisés. Des couches parallèles et perpendiculaires à la barre ont été imprimées. Les résultats ont montré que les échantillons imprimés étaient capables de développer une contrainte d’adhérence acceptable par rapport aux échantillons moulés. Ces résultats indiquent également que l'impression manuelle peut être considérée comme une méthode d'essai préliminaire pour simuler le travail d'une imprimante, et que la rhéologie du matériau n’a pas eu d’effet majeur sur la liaison avec les barres. De plus des couches imprimées parallèlement à la barre présentent une meilleure liaison par rapport à celle obtenue pour les échantillons ayant des couches imprimées perpendiculairement. Concernant l'évaluation de la microstructure et de la durabilité des échantillons imprimés, différents mélanges ont été utilisés pour couvrir une large gamme de propriétés des matériaux. Ici, des échantillons imprimés ont été exposés à différentes concentrations d'acide sulfurique et la microstructure des échantillons dégradés et non dégradés a été évaluée. Les résultats ont montré que les échantillons qu'ils soient imprimés ou non, ont les mêmes performances contre une attaque acide. En particulier, les échantillons imprimés n'ont montré aucun signe de faiblesse entre les couches, ni à une échelle micro ni à une échelle macro. La différence majeure entre un échantillon imprimé et un échantillon coulé est que les échantillons imprimés ont une distribution et une morphologie de la taille des pores plus étalées, ce qui est causé par les paramètres d'impression utilisés.


  • Résumé

    Currently, the latest technique being introduced to the construction field is known as Additive Manufacturing or 3D printing. Many challenges encounter this technique, notably the fresh and hardened state properties of the cementitious material used for 3D printing; and the reinforcement strategy to provide ductility and tensile capacity for structural elements.This thesis deals with the effect of the material’s fresh state properties on the hardened state and mechanical response of 3D printed elements. Initially, the work has started by formulating new printable mixes and testing their rheological properties; in particular their thixotropic behavior, depending on the material’s yield stress variation over a certain period of time. After then, the results were linked to the mechanical and hardened state performance of 3D printed elements. Thus, a better understanding of the effect of certain chemical and mineral admixtures on the thixotropic behavior of the mix was carried out. Then, the relation between the material’s rheology and thixotropic behavior with the bond developed between printed layers and reinforcing bars has been exposed, and the effect of the layers direction with respect to the steel bar on the quality of the bond was further assessed. At last, this research includes a microstructural characterization of 3D printed materials, as well as a durability assessment of the printed elements performance when subjected to sulfuric acid attacks.More precisely, the yield stress evolution so-called thixitropic behavior was measured for different printable mixes over a certain period of time using the fall-cone penetrometer; and the effect of some chemical and mineral additives was considered. Herein, it was found that the material variables influence the structuration rate of the mix, but in different magnitudes. In particular, the addition of HRWR, Limestone filler and water content decrease the structuration rate of the material, whereas VMA increases it. Afterwards, the effect of the material’s rheology, printing method and layers direction with respect to steel bar, on the developed link have been studied through a series of pull-out tests done over printed elements made either manually using a laboratory device or using an automated printer. Herein, different mixes with different workabilities and thixotropic behaviors were used. Alongside, concrete layers were printed either parallel or perpendicular to the steel bar. The overall results showed that printed samples were able to develop an acceptable bond strength in comparison with the mold casted specimens. Implicitly, these results indicated first that the manual printing can be considered as a preliminary testing method to simulate the work of an actual printer; second, the material’s rheology did not majorly affect the bond with steel bars; third, parallel printed layers to the steel bar can still provide better bonding with it in comparison to that attained by the samples having perpendicular printed layers. As for the microstructural and durability assessment of 3D printed samples, different mixes were used to cover a wider range of material properties. Here, 3D printed samples were exposed to different concentrations of sulfuric acid, and the microstructure of the degraded and non-degraded samples was assessed. The results showed that concrete samples whether printed or not have the same performance when subjected to acid attack. In particular, printed samples did not show any sign of inter-layer weaknesses, neither at a micro nor macro scales. However, the only difference between a printed specimen and a non-printed one is that printed samples have a more spread pore size distribution and morphology, which is caused by printing parameters used.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : IMT Nord Europe. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.