PHAN Trung Hieu Secteur : Génie Civil et Environnement LMT – ENS de Cachan/Paris 6/CNRS

Rhéologie et Stabilité des Pâtes de ciment utilisées dans la formulation des Bétons Fluides Projet RGC&U : Bétons Fluides PHAN Trung Hieu Secteur : Génie Civil et Environnement LMT – ENS de Cachan/Paris 6/CNRS 19 janvier 2007 – EDSP de Cachan

INTRODUCTION • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Bétons auto-plaçants, auto-nivelants ou plus généralement «bétonsfluides» apportent des solutions pour l’auto-mise en œuvre : • Pâte et mortier assez fluides pour l’auto-plaçance. • Assez consistants pour éviter ségrégation, sédimentation… Grâce aux différents additifs minéraux (fillers…) et organiques ( SP, AV…) Formulation délicate et composition multi-échelle → comportement rhéologique complexe . Contradictoire

Deux propriétés importantes du Béton fluide _ _ Chaîne unique Répulsion stérique _ _ • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Stabilité/Sédimentation, Ressuage Fluidité, Ouvrabilité Superplastifiants « Adjuvants » minéraux Polycarboxylates (ou PCP) 1980 Polymères combinés Répulsion électrostatique et stérique Fillers calcaires, cendres volantes, fumées silices… Adjuvants organiques Phosphonates (ou DPE) 1990 Agent viscosant : Foxcrete, gomme walan, amidon, polysaccharide…

PROBLEMATIQUE 2 écoles pour la formulation des BFs Agents Viscosants Organiques (Ecole INSA-Lyon) « Ajouts Viscosants » minéraux (Projet National B@P) • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Objectif : Bétons très fluides (BAN) + formulation Robuste Inconvénient : propriétés mécaniques + durabilité médiocres Objectif : B@P Inconvénient : Viscosité élevée + non-robustesse Idée : Conciliation de ces deux aspects afin d’élargir la problématique de l’étude et ainsi de rechercher des solutions générales grâce à une approche globale.

Résolution ΔH ΔH Ecoulement visqueux de la pâte entre les grains en mouvement Contact solide entre grains, frottement plus ou moins lubrifiés H Affaissement mesuré au cône • Optimisation des constituants du béton (ciment, eau, adjuvants et granulats) Béton = phase granulaire + phase visqueuse (pâte de ciment) • La mobilité des granulats (donc l’ouvrabilité du béton) est conditionnée par • Les frottements entre grains (forme des grains, l'état de surface...). • Les propriétés rhéologiques de la pâte (PAP) (Seuil, viscosité...). • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives a) b) Commençons par la pâte de ciment (PAP)…

Optimisation de la pâte de ciment… • Propriétés rhéologiques d’une pâte de BF? Seuil faible pour faciliter l’écoulement Consistance optimale pour éviter la ségrégation et le blocage. OBJECTIFS de la thèse: • Etudier l’influence des divers composants de la pâte de ciment à savoir : • Le superplastifiant en fonction : • De la nature du polymère: pour son pouvoir dispersant dans le temps • Du dosage jusqu’à saturation: pour remplacer l’eau tout en évitant un excès qui peut mener au ressuage. • L’agent de viscosité en fonction : • Du dosage pour obtenir une formulation robuste vis-à-vis de la variation du dosage en eau • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

EXPERIMENTATION PAP Stabilité Rhéologie • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Influence des adjuvants sur la rhéologie La filtration Le blocage… La viscosité Le seuil d’écoulement La thixotropie…

Pâte PAP référence (E/C=0,33): formulation INSA-Lyon (Ambroise-Pera) Procédure de fabrication de la PAP: Ciment Portland (g) Filler Calcaire (g) Eau (ml) SP (Glenium27) (g) AV (Foxcrete) (g) 1000 330 300 20 10 Etapes Ciment+Fines (mélange) Eau+SP+AV ( ajout) Malaxage faible vitesse Malaxage vitesse rapide Temps (mn) 5 0,5 4 2 Formulation • Influence du dosage en SP et en AV (par rapport à PAP référence) • Dosage en SP :• Dosage en AV : • PAP – 40%sp (1,2g SP/ 100g ciment) PAP – 40%av (0,6g AV/ 100g ciment) • PAP – 20%sp (1,6g SP/ 100g ciment) PAP + 40%av (1,4g AV/ 100g ciment) • PAP + 20%sp (2,4g SP/ 100g ciment) • PAP + 40%sp (2,8g SP/ 100g ciment) • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

PLAN EXPERIMENTAL • Mesures rhéologiques • Viscosités apparentes • Viscosités à l’état stationnaire • Influence du SP sur la viscosité • Influence de l’AV sur la viscosité • Mesures de thixotropie • Reprise de la viscosité • Influence du SP sur la reprise de viscosité • Influence de l’AV sur la reprise de viscosité • Essai d’écrasement • Comportement d’écrasement des pâtes • Régime d’écoulement de la PAP • Zone d’ouvrabilité des pâtes en modifiant SP et AV • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

I. Mesures rhéologiques: (µ ; t) = f (γ , ajouts, t) Viscosimètre rotatif : Substance placée entre 2 cylindres dont l’un subit une rotation par rapport à l’autre. On peut effectuer 4 types de mesures: • à vitesse de cisaillement imposée • à contrainte τimposée à 0,02 Pa près • à déformation imposée à 1µm près • oscillations • Déterminer : • Viscosité apparente µ et contrainte de cisaillement en fonction du temps et du taux de cisaillement . • Seuil de cisaillement τ0 • Propriétés de thixotropie C W • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

e e Viscosité apparente (Pa.s) (1/s) Viscosité apparente 3 Reprise de la Viscosité 1 2 • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Comportement en cisaillement dans un cycle de montée-descente-remontée de la pâte PAP de référence : (●) montée ; (□) descente ; (▲) remontée. • Viscosité apparente dépend du taux de cisaillement et du temps. • Viscosité décroissante puis constante • Rhéo-épaississante aux grandes vitesses et rhéo-fluidifiante aux faibles vitesses. • Reprise de viscosité aux faibles taux de cisaillement → Comportement thixotropique.

Viscosité à l’état stationnaire Pâte de ciment ↔ caractéristique rhéologique évolutive Viscosité à l’état stationnaire • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Schéma de la procédure de la charge pour mesurer la viscosité transitoire Schéma pour déterminer le comportement rhéologique

Viscosité transitoire Comportement rhéologique transitoire de la pâte de ciment (référence) pour des vitesses : (●) 0.5 s-1 ; (□) 5 s-1 ; (▲) 30 s-1 Viscosité augmente à cause de l’hydratation aux faibles taux de cisaillement • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Viscosité stationnaire Comportement rhéologique transitoire de la pâte de filler. (●) 0.5 s-1 ; (□) 1 s-1 ; (▲) 2 s-1.

Comportement à l’état stationnaire 3 Zones : -Rhéofluidifiante (pâte floculée) -Newtonienne : Pâte complètement défloculée -Rhéoépaississante : dilatance ? • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Comportement rhéologique en régime établi dans le cas de la pâte référence

Effet du SP sur la viscosité des pâtes PAP -40% SP Seuil et viscosité x 2 ordres de grandeur! • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Optimum du dosage en SP ? (●) Pâte de référence ; (▲) PAP-20SP ; (□) PAP-40SP ; (■) PAP+20SP ; (∆) PAP+40SP.

Pâte = suspension granulaire Loi de Krieger-Dougherty : Viscosité relative (µ/µo) Concentration volumique (%) Effet du SP sur la viscosité des pâtes PAP: Interprétation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives μo: viscosité du fluide suspendant [η]: viscosité intrinsèque de la pâte : [η] =2.5 pour des sphères mono-disperses en régime dilué ф: concentration volumique solide фM: fraction volumique solide d’empilement maximum des grains (ici : flocs) (◊) φM =0.5 ; (□) 0.55 ; (∆) 0.6 ; (◊) 0.65. μ фM SP taille des flocs

Effet du AV sur la viscosité des pâtes PAP ±40% en AV consistance faiblement modifiée, (< 2 fois) • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives (□) Reference paste ; (●) PAP-40 AV ; (▲) PAP+40 AV.

Loi de Krieger-Dougherty ne modifie que μ0, or le terme granulaire est dominant Viscosité relative (µ/µo) Concentration volumique (%) AV joue un rôle mineur sur la viscosité de la pâte Effet du AV sur la viscosité des pâtes PAP : Interprétation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives AV (◊) φM =0.5 ; (□) 0.55 ; (∆) 0.6 ; (◊) 0.65.

Comportement rhéologique de la phase liquide Dosage dans la formulation > 3% la viscosité de l’eau x 100! • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Stabilité/sédimentation et ressuage (●) 20% ; (□) 10%; (▲) 0,5% .

Modèle rhéologique Herschel-Bulkley k, n sont fonction de la gamme de taux de cisaillement σy : seuil de cisaillement k : consistance n: indice de fluidité • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

Comparaison entre SP et AV Influence du dosage en SP sur les paramètres rhéologiques • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Influence du dosage en AV sur les paramètres rhéologiques

II. Etude de la thixotropie • La thixotropie caractérise l’évolution (réversible) des paramètres rhéologiques en fonction du temps • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Arbitraire Aicha F. Ghezal et Kamal H. Khayat (2003). Thixotropie ~ L’aire

б = 5; 50; 100s-1 =50s-1 Oscillation 1 (f=1Hz) Oscillation 2 (f=1Hz) Temps 5 mn 5 mn 4 ~12 mn ~15 mn Mesure de la reprise de thixotropie de la pâte • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives • Capacité de reprise de thixotropie: • Précisaillement à gradient de vitesse imposé à 50s-1 • Oscillations à déformation imposée autour de 0,1 ~ repos 1 • Défloculation pendant 4min et 12min à = 5; 50 et 100 s-1 • Oscillations à déformation imposée autour de 0,1 ~ repos 2 • Variables: • Taux de cisaillement = 100 s-1 • Temps de défloculation : 4min • Temps de mesure : à t0, 1h, 2h et 3h après le malaxage.

Etat dispersé du ciment flocs Surface Hydratée soit Ajout de superplastifiant agitation Propriétés rhéologiques initiales Propriétés rhéologiques nouvelles défloculation refloculation Suspension initiale Suspension après agitation repos Mécanisme de reprise de la viscosité • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

Influence de l’hydratation Précisaillement Défloculation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Repos 1 Repos 2 Comportement thixotropique dans le cas de la pâte de filler (sans hydratation)

Influence de l’hydratation Précisaillement Défloculation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Repos 2 Repos 1 Comportement thixotropique dans le cas de la pâte de référence (avec hydratation) Influence de l’hydratationsur la reprise de la viscosité

Influence des SP sur la thixotropie Précisaillement Défloculation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Repos 1 Repos 2 SPmodifie nettement la capacité de reprise de thixotropie (modifiée la pente des courbes)

Influence des AV sur la thixotropie Précisaillement Défloculation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Repos 1 Repos 2 AVne modifie pas la capacité de reprise de thixotropie

h III. Essai d’écrasement U À déplacement imposé Réponse en force normale F(h ; U) blocage ressuage • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Mais à épaisseur variable et vitesse contrôlée • Déterminer l'épaisseur ebloc/ vcritde blocage: • Pour une vitesse d'écrasement donnée: 0,1 ; 1 ; 10 ; 100 mm/mn • Pour différents dosages en SP et en AV.

Comportement en écrasement : Résultats attendus Pâte de ciment = fluide en loi de puissance (+seuil) U h Scott (1926) : • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives R : rayon du plus petit plateau; U : vitesse m : indice de fluidité de la pâte; A : sa consistance F est une fonction croissante de U que ce soit pour des pâtes rhéo-épaississantes (m>1) ou rhéo-fluidifiantes (m<1)

Comportement en écrasement : comparaison entre une PAP et une PO (sans adjuvant organique) Force d’écrasement (N) Force d’écrasement (N) Déplacement (mm) Déplacement (mm) Comportement d’écrasement (PO) Comportement d’écrasement (PAP) • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives (♦) 100 mm/mn ; (▼) 10 mm/mn ; (▲) 1mm/mn ; (■) 0.3 mm/mn ; (●) 0.1 mm/mn.

Régime d’écoulement Régime de blocage : filtration Force d’écrasement (N) Déplacement (mm) (mm) Régimes de déformation des pâtes • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Fluctuations (comportement granulaire sec) (♦) 100 mm/mn ; (▼) 10 mm/mn ; (▲) 1mm/mn ; (■) 0.3 mm/mn ; (●) 0.1 mm/mn.

Observation Etat final Etat initial Fluide visqueux et/ou vitesse élevée • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Fluide peu visqueux et/ou faible vitesse [ F. Chaari et al. (2003).]

s= sy+A γm ● Discussion Compétition entre la filtration du liquide interstitiel et la déformation de la pâte • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives k : perméabilité Newtonienne : consistance du fluide p : pression interstitielle n : indice de fluidité du fluide σy : contrainte seuil A : consistance m : indice de fluidité Temps caracteristique de la filtration : f Temps caracteristique de la déformation : d

Vitesse “critique” Nombre de Peclet Filtration : Déformation: • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Vitesse “critique” de la séparation solide-liquide (Pe =1) Pour éviter la séparation liquide-solide (blocage) Uc le plus faible possible Diminuer k et A (avec des SPs) Augmenter ηf (avec AV) Diminuer n-m (plus difficile à contrôler)

Zone “d’ouvrabilité” des pâtes (PAP et PO) • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives : Zone de blocage pour les deux pâtes : Zone intermédiaire blocage pour PO et écoulement pour PAP : Zone d’écoulement pour les deux pâtes

Vitesse d’écrasement (mm/mn) Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP: influence du dosage en SP • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives SPinflue nettement sur la zone d’ouvrabilité en modifiant la filtration Dosage en saturation

Régime de blocage filtration Loi de Darcy: Influence du SP : Interprétation • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives vf, vs : vitesse du fluide, vitesse du solide μ0 : consistance du fluide interstitiel n : indice de fluidité du fluide interstitiel k : perméabilité de la pâte → k ~ (taille des flocs)2 SP k filtration taille des flocs

Vitesse d’écrasement (mm/mn) Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP : Influence du dosage en AV • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives La zone d’ouvrabilité est peu sensible à des variations du dosage en AV Sans AV, l’ouvrabilité diminue

-Diminue légèrement la perméabilité: diminue n (<1) -Augmente m0 (mais linéairement) Loi de Darcy AV diminue, mais légèrement/SP, la filtration Zone d’ouvrabilité des pâtes PAP : Influence du dosage en AV • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives AV

Rôle du AV: • Modifie la filtration → modifie μ0 • Effet mineur sur la rhéologie Rôle du SP: • Modifie la filtration → → modifie k • Effet majeur sur la rhéologie Synthèse • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives AV stabilisateur si n<<1 et m0

CONCLUSIONS GENERALES • Viscosité apparente → paramètre évolutif Єtaux de cisaillement temps. Viscosité à l’état stationnaire. Le comportement rhéologique des pâtes en régime établi est assez complexe : * un comportement élastique → contraintes inférieures au seuil de cisaillement, * un comportement rhéo-fluidifiant * un comportement Newtonien * un comportement rhéo-épaississant. • Le superplastifant : • Améliore les paramètres rhéologiques • Thixotropie : diminue la capacité de refloculation • Stabilité : améliore l’ouvrabilité jusqu’au dosage en saturation (Autour de 20% en plus par rapport à la référence) . • L’agent viscosant : • Influe très peu (/SP) sur les paramètres rhéologiques de l’ensemble de la pâte mais influe nettement sur la phase fluide. • Thixotropie: influe faiblement sur la capacité de reprise de la thixotropie • Stabilité : évite la filtration de l’eau sans grandes différences avec la variation du dosage • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives

Perspectives Couplage rhéologie - conductivité Centrifugation • Etudier finement la phase fluide qui filtre ! Composition de la phase fluide ? La quantité de superplastifiant adsorbée sur les grains ? La quantité d’eau libre ? • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives • Etudier l’influence de la cinétique d’hydratation sur la rhéologie

Description du matériel : Schéma de connexion du matériel : A V Perspectives : Couplage rhéologie - conductivité • Un générateur basse fréquence délivre une tension alternative sinusoïdale de fréquence voisine de 500Hz • Un voltmètre • Un ampèremètre • Introduction • Problèmatique • Objectif • Expérimentation • Résultats et Interprétations • Conclusions et Perspectives Suivi de la cinétique d’hydratation de la pâte au cours d’un cisaillement et permet de savoir à quel moment il y a cristallisation plus ou moins importante.

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