BETON AUTOPLACANT Spécificités Formulation Performances

1. BETON AUTOPLACANT Spécificités Formulation Performances

2. Le béton : un matériau… …très utilisé et peu coûteux …peu polluant et peu consommateur d’énergie lors de sa production

3. I- Spécificités

4. I- Spécificités I-1 Définition - remarques implicites BAP = béton très fluide qui se met en place par gravité sans apport extérieur ou intérieur de vibration ≠ béton traditionnel à l’état frais (fluidité) = béton traditionnel à l’état durci (performance mécanique, durabilité) ≠ BAP Béton vibré Obtenir la Fluidité peut se faire au détriment de l’homogénéité  ségrégation ! Fluidité Principes de formulation à définir ! Ségrégation Homogénéité

5. I- Spécificités I-2 Avantages Lorsque la composition allie fluidité et homogénéité : • Elimination de la vibration • Réduction des nuisances sonores (confort environnemental, impact sanitaire, amélioration des conditions de sécurité sur sites de production, augmentation de la durée de vie des moules en • préfabrication) • Opérations de coulage possibles en conditions défavorables • Densité de ferraillage élevée, formes architecturales complexes Béton traditionnel (affaissement 14cm) BAP

6. I- Spécificités Avantages (suite) • Amélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciers • En évitant les nids de cailloux liés à une mauvaise vibration, • Élimination du ragréage Gain de productivité • Et pourtant … le BAP n’est pas encore banalisé en France, du fait de son émergence récente : • augmentation du coût des matières premières (additions minérales, adjuvants), • modification des outils de fabrication.

7. I- Spécificités Diminuer la fréquence de collision et de contact entre les granulats en les écartant les uns des autres. • limiter le volume de gros granulats, • décroître le rapport eau sur liant, • utiliser un superplastifiant. I-3 Un peu d’histoire : le BAP est en effet nouveau dans la famille des bétons • Japon, début des années 80, deux aspects contradictoires dans le contexte de l’activité BTP : • spécificité accrue des constructions (niveau de qualité architecturale de plus en plus élevé), • baisse du nombre d’ouvriers qualifiés Afin d’éviter l’altération de la qualité des structures (performances mécaniques, durabilité, finition), l’ insatisfaction de la part du maître d’ouvrage, du maître d’oeuvre, ainsi que, plus généralement, des entreprises BTP qui voyaient leurs marges diminuer, le concept BAP voyait le jour Pont suspendu Akashi-Kaikyo ouvert en 1998 (Japon) 4 km de long

8. I- Spécificités Un peu d’histoire (suite) Béton traditionnel vibré BAP Formulation différente entre BAP et béton vibré Constituants : ≥4 ≥6 • Sur ce principe, des études ont vu le jour à travers le monde dès le milieu des années 90, visant à caractériser des formules BAP aux états frais et durci et à montrer que le concept BAP présente des qualités au moins aussi bonnes que le béton traditionnel de résistance équivalente. Il en est ressorti des recommandations : • Japon • “Recommendation for Construction of Self-Compacting Concrete”, Japanese Society of Civil Engineering, 1998

9. I- Spécificités Un peu d’histoire (suite) • Europe • Report 23, State-of-the art report of RILEM Technical Committee 174-SCC, Self-Compacting Concrete, RILEM, 2000 • “Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete”, EFNARC, November, 2001 • Etats Unis • “Interim Guidelines for the Use of Self-Compacting Concrete in PCI Member Plants”, Precast/Prestress Concrete Institute (PCI), 2003. • (document unique publié en attendant celui du comité ACI 237 Self-consolidating concrete établi en 2003). • En France • « Bétons auto-plaçants, recommandations provisoires », Documents scientifiques et techniques de l’Association Française de Génie Civil, juillet 2000. • (transcription des recommandations européennes) • Un projet national (PN B@P) a démarré en 2000 avec l’objectif de transposer les données disponibles à l'échelon national tout en prenant en compte les spécificités hexagonales. Les recommandations, issues des études effectuées, doivent apparaître en 2007 au travers d’un recueil et ensuite dans des amendements aux normes en vigueur (EN 206-1 notamment). • Ces recommandations doivent permettre d’accentuer la banalisation du BAP en France puisque c’était leur absence qui provoquait la réticence des donneurs d’ordre.

11. Principaux résultats obtenus au LMDC dans le cadre du PN B@P II- principe de formulation – vérification de l’autoplaçabilité à l’état frais III- Performances à l’état durci

12. II- Formulation

13. II- Formulation II-1 Généralités Cahier des charges Expérience théorie • Environnement de l’ouvrage au cours de • son fonctionnement, • Caractéristiques géométriques de l’ouvrage,  • Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci,  • Conditions de fabrication et de mise en œuvre du béton frais,  • Matériaux à disposition localement. • Obtenir une rhéologie permettant une mise en oeuvre adaptée aux moyens envisagés. La quantité de pâte, à qualité donnée, conditionne l’ouvrabilité • Obtenir une résistance mécanique répondant aux fonctions principales du matériau dans l’ouvrage. La qualité de la pâte (rapport E/C) conditionne la résistance puisque la pâte apporte la cohésion à l’ensemble. 1ère composition • Limiter les effets secondaires indésirables à moindre coût. Toutes choses égales par ailleurs, toutes les propriétés sont améliorées lorsque le squelette granulaire est de compacité maximale • Au minimum, vérification de : • l’aptitude à l’écoulement (ouvrabilité, rhéologie), • la résistance en compression à échéance clé Correction composition Essais Composition finale

14. II- Formulation Généralités – cahier des charges II-1-1 Environnement des ouvrages (EN 206-1, §4) Pour les valeurs limites de concentration chimique à respecter en classe XA, se reporter au § 4-1, tableau 2 de la norme. Cinq classes d’exposition • Dosages minimaux en ciment (annexe F) • ciment de type CEM I (EN 197-1), granulats dont la dimension maximale nominale maximale est comprise entre 20 mm et 32 mm. • Tous types de ciment et granulats de dimension maximale nominale de 20 mm (application en France seulement) La quantité de liant équivalent à ajouter (+) ou à déduire (–) en pourcentage de la valeur indiquée, en fonction de la dimension nominale supérieure du plus gros granulat, exprimée en mm est D ≤ 12,5 : + 10 % ; D = 14 : + 7,5 % ; D 16 : + 5 % ; D = 22,4 : – 2,5 % ; D = 25 : – 5 % ; D ≥ 31,5 : – 10 %. 300 kg/m3 dans le cas du béton précontraint en conditions XC1 et XF1 Rapport Eeff/liant éq à réduire de 0,05 à 0,1 pour les bétons préfabriqués en usine

15. Rappel : liant équivalent Liant équivalent (Liant éq.) = assemblage d’un ciment de clinker pur CEM I et d’une addition minérale plus ou moins active. • Il est défini en terme d’équivalence vis-à-vis des résistances mécaniques. • Si A est la quantité d’addition exprimée en kg/m3 et k le coefficient d’équivalence alors, le produit kA sera équivalent à une quantité C’ de ciment CEM I : • Liant éq.  = C + kA  ou  Liant éq.  = C+C’ EN 206-1, § 5.2.5.2, extrait tableau NA.3 pour application en France Les quantités d’additions dépassant les valeurs admissibles ne sont pas prises en compte dans le calcul du Liant éq.

16. Rappel : eau efficace Eeff EN 206-1 (§ 3.1.30) : différence entre la quantité d'eau totale contenue dans le béton frais et la quantité d'eau absorbable par les granulats (EN 206-1, § 3.1.29, teneur en eau totale = l'eau d'apport plus l'eau déjà contenue dans et à la surface des granulats plus l'eau des adjuvants et des additions utilisée sous la forme de suspension et toute eau résultant de l'ajout de glace ou de chauffage à la vapeur). Eeff = Ea + G (wg – Abg) + S (ws –Abs ) + A′ (wA – AbA) + awa Humidité supplémentaire à l’absorption

17. Généralités – cahier des charges II- Formulation II-1-2 Caractèristiques géométriques des ouvrages et Dmax II-1-3 Caractères spécifiques du matériau frais, durcissant et durci • Résistance à la compression : un paramètre fondamental… La résistance caractéristique à 28 jours f ck-cyl (MPa) est définie pour le dimensionnement des ouvrages. Plusieurs classes de résistances (8 MPa à 100 MPa) sont définies ( EN 206-1, §4.3.1). Les contrôles s’effectuent sur cylindre d’élancement 2 ou sur cube f ck-cube selon les pays européens. …mais insuffisant pour le BAP dont la spécificité est à l’état frais ! • Autoplaçabilité : plusieurs facettes à vérifier (fluidité, capacités de passage et de remplissage, • résistance à la ségrégation) • Mais aussi, selon prescription : • Tenue au feu, variations dimensionnelles et fissurabilité, durabilité (altération endogène, gel/dégel, • résistance aux agressions chimiques)

18. Généralités – cahier des charges II- Formulation Coulage horizontal Coulage vertical Epaisseur≤300mm Epaisseur>300mm I ≥ 100 1 2 2 80 ≤ I < 100 2 2 2 I < 80 3 3 3 II-1-4 Caractères liés aux moyens de mise en œuvre du béton La formulation d’un béton ne peut se concevoir sans connaître les conditions de mise en œuvre, les modes de transport et l’énergie de serrage ou de compactage. Suivant les cas, les bétons seront compactés, vibrés, pompés, coulés, projetés ou simplement mis en oeuvre par gravité dans le cas des BAP. EN 206-1, §4-2  classes de consistance pour les bétons plastiques et fluides, adaptées aux moyens de mesure : classe d’affaissement (S), classes Vébé (V), classes de serrage (C) et classes d’étalement (F). D’autres classes pourront être définies à l’avenir pour des bétons très spécifiques : bétons très fermes ou BAP. Pour l’instant, le projet National B@P a défini 3 catégories de BAP à partir d’un index d’écoulement I, défini comme le plus petit espace libre entre armatures que le béton aura à traverser. II-1-5 Ressources locales Il n’existe pas une grande variété de ciments, d’additions minérales et de granulats disponibles en un lieu donné. Aussi, à quelques rares exceptions près, la formulation du béton devra tenir compte des ressources locales et des prix.

19. II-2 Principes de formulation des BAP II- Formulation Proportions constituants Caractéristiques constituants Propriétés du béton II-2-1 Caractérisation des constituants • Granulats (XP P 18-540 puis XP P 18-545) • Nature, qualité • courbe granulaire, Dmax • Masse volumique, • Compacité • Absorption • Teneurs en alcalins et chlorures

20. Formulation – caractéristiques constituants II- Formulation • Additions minérales (filler calcaire NF P 18-508) • Nature • Masse volumique, • indice d’activité (jeune âge, 28j) • Dégagement de chaleur • Teneurs en alcalins et chlorures • Ciment (NF EN 197-1) • Nature • Masse volumique, • Résistance en compression (jeune âge, 28j) • Dégagement de chaleur • Teneurs en alcalins et chlorures • Adjuvants (superplastifiant et éventuellement agent de viscosité) (EN 934-2) • Nature, effets principaux • Masse volumique, • extrait sec • effets secondaires • Teneurs en alcalins et chlorures • Ajouts • Nature (fibres …) • Masse volumique • effets secondaires (rhéologie) • Teneurs en alcalins et chlorures • Eau (NF EN 1008) • Teneurs en alcalins et chlorures • Matières en suspension

21. II-2-2 Propriétés du béton II- Formulation Type d’essai Capacité de remplissage Vitesse de déformation Résistance à la Ségrégation Capacité de passage Cône d’Abrams X X X Boite en L X X X Stabilité au tamis X J-Ring X X Entonnoir X X Colonne LMDC X • Fluidité et homogénéité évaluées selon trois critères : • la capacité de remplissage, • la résistance à la ségrégation, • la capacité de passage. En laboratoire (essai d’étude) ou sur site (essai de convenance ou de contrôle), ces critères sont mesurés à travers des dispositifs d’essai } AFGC

22. Formulation – propriétés du béton II- Formulation Catégorie 1 Catégorie 2 Catégorie 3 Diamètre minimum ≥ 50 cm ≥ 60 cm ≥ 60 cm  Essai d’étalement Cône Abrams Cône DIN Main écope Plateau inox avec niveau à bulles et pieds réglables AFGC : 60 cm ≤ diamètre final≤ 75 cm 10mm ≤Dmax≤20mm T50 max de 7s à 12s pour les plus faibles vitesses de déformation

23. II- Formulation Observation de la galette d’étalement Homogène Ségrégation !

24. Formulation – propriétés du béton II- Formulation Catégorie 1 Catégorie 2 Catégorie 3 H2/H1 mini Pas de prescription 0,80 avec 2 barres 0,80 avec 3 barres  Essai de la boîte en L AFGC :H2/H1 ≥ 80% La vitesse de l’écoulement peut être évaluée en mesurant le temps de passage du béton à 20 cm et à 40 cm de la paroi verticale, respectivement notés T20 et T40. Des valeurs inférieures à 1,5 secondes pour T20 et inférieures à 3,5 secondes pour T40 sont recommandées afin de rester dans un domaine autoplaçant.

25. II- Formulation Observation de l’essai après arrêt de l’écoulement Passage sans blocage Phénomènes de blocage !

26. Formulation – propriétés du béton II- Formulation M = 4,8 kg  0,2 kg 50 cm Refus Tamis 5 mm Passant (masse m ) m p . 100 = M Catégorie 1 Catégorie 2 Catégorie 3 Stabilité admissible < 15% < 15% < 15%  Essai de stabilité au tamis AFGC : la stabilité est : - satisfaisante si 0%    15% - critique si 15% <   30% - très mauvaise si  > 30% La valeur limite autorisée au tamis ne peut en aucun cas être supérieure à 30 %, elle peut être supérieure à 15 % si l'on dispose de mesures probantes de non ségrégation pour des applications similaires.

27. Formulation – propriétés du béton II- Formulation  Autres essais J-Ring Entonnoir (V-funnel) Remplissage Evaluer la perte d’étalement (perte de remplissage) en présence d’armatures. Cette perte ne doit pas dépasser 5cm pour un BAP. Trappe amovible • 7 tiroirs empilés, formant une colonne de 70 cm de hauteur. • La colonne peut donc être remplie de 15,75 litres de béton. • Les tiroirs sont numérotés depuis 7 (tiroir supérieur) jusqu’à 1 (tiroir inférieur). Temps d’écoulement généralement compris entre 5 et 12s Colonne LMDC Des tôles métalliques coulissantes assurent la séparation des tiroirs Caractérisation de la ségrégation statique par tamisage des fractions > 2,5 mm dans chacun des tiroirs

28. II-2-3 Proportions des constituants II- Formulation g/G s/G g/s f/solide Eeff/f SP/f (%) AV/f (%) f (kg/m3) 0.45-0.55 0.55-0.45 0.8-1.2 0.18-0.25 0.3-0.4 0.5-1.5 0.1-4 400-700 (500) g/G s/G g/s f/solide Eeff/f SP/f (%) AV/f (%) f (kg/m3) 0.6 0.4 1.5 0.15 0.45 0-0.3 0 300 Fluidité Méthodologie Ségrégation Homogénéité BAP BV g = masse gravillons s = masse sable G = g+s f = ciment + addition minérale solide = G+f Eeff = eau efficace SP, AV = masses superplastifiant, agent de viscosité g/G (ou s/G), définissant le squelette granulaire, et f/solide fixent l’empilement granulaire et la séparation inter-particule Influence sur l’écoulement du matériau

29. II-3 Méthodologie de formulation II- Formulation II-3-1 Principe de base BAP = pâte de ciment + squelette granulaire Ciment + addition + eau + superplastifiant (+ agent viscosité) Sable + gravillon + eau Critères rhéologiques g / s Fluidité et homogénéité ! demande en eau compacité

30. II-3-2 Première étape : Caractéristiques rhéologiques de la pâte II- Formulation Notions de rhéologie Rhéologie = étude de la déformation des matériaux (cas des solides) ou de leur écoulement (cas des liquides) sous l’effet d’une contrainte.  comportement rhéologique Pâte : un solide ou un liquide? Comportements linéaires Comportements non linéaires

31. Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie II- Formulation  Seuil t Deux grandeurs rhéologiques : - Seuil de cisaillement [Pa] Contrainte minimale de cisaillement à atteindre pour que le matériau s’écoule • Seuil statique • Seuil dynamique Extrapolation de la courbe d’écoulement à un gradient de vitesse de cisaillement nul

32. Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie II- Formulation - Viscosité Mesure des frictions internes d'un fluide lors de son écoulement. Pour déplacer une couche d'un fluide par rapport à l'autre on doit appliquer une certaine force. Cette force augmente avec la viscosité du fluide. Viscosité apparente [Pa.s] gradient de vitesse = taux de variation de vitesse en fonction d'une distance. C’est le rapport Vt/b s’il est constant (cas linéaire), sinon il est préférable d'utiliser l’expression différentielle s’il n’est pas constant (cas non linéaire). ! cas non linéaire,  est une fonction de  !

33. Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie II- Formulation Rôle des adjuvants - généralités Type polycarboxylate avec chaîne POE

34. Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie II- Formulation Effet des adjuvants sur les propriétés rhéologiques (exploitation modèles plan de mélange) Viscosité apparente à 18s-1 [Pa.s] Seuil de cisaillement [Pa] Etalement [cm]

35. Caractéristiques rhéologiques de la pâte – notions de rhéologie II- Formulation Seuil [Pa] Etalement [cm] Viscosité à 4s-1 [Pa.s] Viscosité à 18s-1 [Pa.s] C+F+E+SP+AV ≤ 10 ≥16 Entre 1 et 3 Entre 3 et 6 C+F+E+SP ≤ 10 ≥16 Entre 1 et 3 Influence hierarchique des constituants sur les propriétés d’écoulement Plan de mélange  analyse statistique Valeurs cibles décrivant un écoulement fluide et homogène Résultats non généralisables quels que soient les constituants Nécessité de travailler toujours avec le même laboratoire

36. II-3-3 Deuxième étape : Caractéristiques du squelette granulaire II- Formulation Pour chaque fraction (sable, gravillon), connaître : Granulométrie Masse volumique absolue Absorption Confection du squelette granulaire à partir d’un rapport g/s • Fraction < 80µm • Définition de classes i (proportions volumiques yi )  Compacité maximale  Modèle d’empilement compressible • Prise en compte de l’énergie de serrage à travers un indice de serrage K • Prise en compte des interactions entre grains

37. II- Formulation Caractéristiques du squelette granulaire Détermination des compacités expérimentales: - du squelette, C, - de chaque classe i, Ci  donné Ci C oui Non