ÉTUDE DE LA DILATANCE DE REYNOLDS DU BÉTON ET DE SON EFFET SUR LA FORMATION DE LA COUCHE DE LUBRIFICATION DANS LES TUYAUX DE POMPAGE

CONCRETE REYNOLDS DILATANCY AND ITS EFFECT ON LUBRICATION LAYER FORMATION DURING PUMPING

• Auteur / Autrice : Yosra Rmili
• Direction : Tien-Tung Ngo, Ammar Yahia, El-Hadj Kadri, Masoud Hosseinpoor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 04/07/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Ali Zaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tien-Tung Ngo, Ammar Yahia, El-Hadj Kadri, Masoud Hosseinpoor, Ali Zaoui, Arnaud Perrot, Brahim Benmokrane, Geert De Schutter, Lucia Ferrari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot, Brahim Benmokrane

Mots clés

Mots clés libres

Pompabilité

Couche de lubrification

Dilatance de Reynolds

Propriétés viscoplastiques

Ségrégation dynamique

Blocage

Pumpability

Lubrication layer

Reynolds dilatancy

Viscoplastic properties

Dynamic segregation

Blockage

Résumé

Le processus de pompage du béton revêt une importance capitale dans le secteur de construction, facilitant le transport du béton frais vers le site de coulée, voire des zones difficiles d'accès. Cette technique offre la possibilité d'atteindre des hauteurs et des distances considérables. Toutefois, ce processus n'est pas sans défis. Il est donc primordial de pouvoir bien prédire la pompabilité du béton. En effet, la pompabilité du béton dépend étroitement de ses propriétés rhéologiques et de sa capacité à former une couche de lubrification (CL) lors de son écoulement dans les conduites de pompage. Par conséquent, une bonne compréhension de la rhéologie du béton et des caractéristiques de la CL est essentielle, d'autant plus que les mécanismes de formation de cette dernière demeurent encore méconnus. Cette thèse se concentre sur l'étude de la dilatance de Reynolds (DR) en tant que mécanisme potentiel intervenant dans la formation de la CL, et elle vise à mettre en évidence les principaux paramètres qui les régissent. La première partie de l'étude présente le développement d'une nouvelle méthode pour évaluer les variations de volume induites par le cisaillement, nommée la dilatance de Reynolds du béton en écoulement à surface libre. Cette méthode, bien que plus fiable pour les bétons conventionnels, ne permet cependant pas d'explorer pleinement ce mécanisme. En conséquence, un nouveau dispositif empirique, le CRD-Test, a été conçu pour évaluer la dilatance de Reynolds des bétons autoplaçants soumis à différents scénarios de cisaillement à surface libre et sous pression, simulant ainsi les processus réels de coulage et de pompage. Dans cette seconde partie de l'étude, le béton autoplaçant (BAP) est considéré comme un mélange biphasique, composé de gros granulats (> 1,25 mm) immergés dans une matrice fluide de mortier fin (< 1,25 mm). En outre, le CRD-Test offre une couverture large des niveaux de cisaillement et de pression. Il repose sur un tribomètre à cylindre coaxial modifié, dont la vitesse de rotation varie de 0 à 3 tr/s, et sur un régulateur de pression d'air ajustable de 0 à 300 kPa. Le phénomène de dilatance de Reynolds se traduit par des fluctuations de la pression latérale mesurée au niveau du cylindre extérieur de cet appareil et a été étudié à travers de nouveaux indices. Les résultats expérimentaux révèlent que les indices de pression induits par la dilatance de Reynolds sont en accord avec la maniabilité du béton et ses paramètres de formulation. Les bétons autoplaçants présentant des faibles valeurs d'étalement montrent des indices de dilatance de Reynolds élevés sous cisaillement à surface libre et sous pression. De plus, une approche diphasique permet de mettre en évidence des corrélations entre la dilatance de Reynolds et les caractéristiques des granulats dont le diamètre est supérieur à 1,25 mm ainsi que les caractéristiques viscoplastiques du mortier fin, (i.e. la phase suspendante). De plus l'étude montre que la dilatance de Reynolds est principalement affectée par le degré d'empilement initial du squelette granulaire pendant le processus de pompage. Enfin, les valeurs de dilatance de Reynolds sont en en bon accord avec les caractéristiques du régime d'écoulement, la dynamique des particules et les indices de migration des particules sous l'effet du cisaillement. Selon les corrélations établies, il apparaît que la ségrégation dynamique peut significativement influencer les mécanismes de formation de la CL lors du pompage du béton à faibles taux de cisaillement, illustrant ainsi l'importance de la dilatance de Reynolds dans ce processus. Cependant, il a été observé qu'à des taux de cisaillement plus élevés, la ségrégation dynamique peut avoir un impact négatif sur les valeurs de dilatance de Reynolds, augmentant ainsi le risque de blocage durant le processus de pompage du béton.

Concrete pumping process is important in the construction sector, facilitating the transport of fresh concrete to the casting site, even in difficult-to-access areas. This technique enables the achievement of considerable heights and distances. However, this process presents challenges. Therefore, accurately predicting the pumpability of concrete appears to be essential. Indeed, concrete pumpability relies on its rheological properties and its ability to form a lubrication layer (LL) during its flow through pipes. Accordingly, it is worthy to mention that mastering the rheology of concrete and understanding the characteristics of the LL is important, especially considering that the mechanisms of LL formation remain not well understood.This project focuses on investigating Reynolds dilatancy (RD), a potential mechanism involved in LL formation, and aims to highlight the key parameters governing it. The first part of the study introduces the development of a new method to assess shear-induced variations (RD) at free-surface flow. This method, although more reliable for conventional vibrated concrete (CVC), it does not fully explore this mechanism. Consequently, a new empirical device, the CRD-Test, was designed to evaluate the RD of self-compacting concrete (SCC) subjected to various scenarios under free-surface and pressurized conditions, simulating real casting and pumping processes. In this second part of the study, SCC is considered as a biphasic mixture of coarser particles (> 1.25 mm) in a fluid matrix of fine mortar (< 1.25 mm). Moreover, the new experimental device, named CRD-Test, offers wide range of shear and pressure levels. It is based on a modified coaxial cylinder tribometer, with a rotational speed ranging from 0 to 3 rps, and an air pressure regulator from 0 to 300 kPa. The RD phenomenon is manifested by fluctuations in lateral pressure measured at the outer cylinder of this apparatus and it was investigated through new indices.Experimental results reveal that RD values were found to be in good agreement with the workability and design parameters of the investigated concrete mixtures. Concrete with low fluidity values exhibited high RD indices under both free-surface and pressurized shear conditions. Furthermore, a biphasic approach highlights correlations between RD and the characteristics of aggregates with a diameter greater than 1.25 mm, as well as the viscoplastic characteristics of the fine mortar (i.e., the suspending phase). Moreover, RD results are mainly affected by the relative packing density of coarse aggregate during pumping process. Finally, Reynold values were in good agreement with flow regime characteristics, particle dynamics, and shear-induced particle migration indices. According to established correlations, dynamic segregation can significantly influence the mechanisms of LL formation during concrete pumping at low shear rates, illustrating the importance of Reynolds dilatancy in this process. However, at higher shear rates, dynamic segregation has been observed to negatively impact RD values, thereby increasing the risk of blockage during concrete pumping.