Développement de nouveaux composites cimentaires à bas module d’élasticité

Développement de nouveaux composites cimentaires à bas module d’élasticité

Optimisation des formulations et fabrication en centrale BPE

Optimisation des formulations

Trois formulations initiales ont été sélectionnées afin de réaliser des colonnes CMC : le mortier REF, le mortier GC15 et le mortier GL30F15. Le détail complet de ces formulations optimisées en laboratoire a été fourni dans la partie 2.1.2. Certains constituants des formulations n’étant pas disponibles dans la centrale BPE utilisée, une étape d’optimisation a été nécessaire afin d’obtenir un mortier fluide, homogène et sans ressuage. Le Tableau 1.24 récapitule les principales modifications effectuées. Le changement le plus impactant pour les mortiers se situe au niveau du type de ciment. L’utilisation d’un ciment de type CEM I 52,5 N à la place du ciment CEM III/C 32,5 N devrait engendrer une augmentation globale des résistances mécaniques des mortiers. Ce ciment ne contenant pas de laitier, les résistances mécaniques à 28 jours devraient être suffisantes afin d’estimer les résistances maximales des mortiers. Le superplastifiant utilisé en centrale (Optima 224) possède des caractéristiques relativement proches de celui utilisé en laboratoire. Pas de changement important à prévoir avec l’utilisation de cet adjuvant. Le sable utilisé en centrale est un sable semi-concassé alors qu’il était roulé au laboratoire. L’utilisation de ce sable peut engendrer une modification de la maniabilité à l’état frais des mortiers, les phénomènes de frottement étant plus présents. Les autres constituants ont été commandés et fournis par Menard directement sur le site de la centrale BPE : agent de viscosité, billes d’argile expansée, granulats en caoutchouc et fibres métalliques ruban.

Fabrication des mortiers

Au laboratoire, tous les constituants sont introduits manuellement dans un malaxeur de 50L. Dans une centrale BPE cette étape s’effectue différemment. Les granulats sont stockés dans des trémies spécifiques et ajoutés à distance par un technicien via un panneau de contrôle. Avant d’utiliser ce genre de trémie, une étape de calibration a été réalisée pour un type de granulat afin d’analyser sa vitesse de chute et donc le temps d’ouverture nécessaire correspondant à une masse donnée. Dans notre cas, les granulats en caoutchouc et les billes d’argile expansée n’ont pas passé cette étape de calibration et ne peuvent donc pas être Chapitre 1 : Caractérisation 88 introduits dans les mortiers via une trémie. Par conséquent, ces granulats ont été introduits manuellement par le biais d’un tapis roulant (Figure 1.45). L’introduction des fibres a demandé une attention particulière. En effet, les fibres que nous utilisons sont des fibres métalliques ruban de 30mm de longueur. Ces dernières ont tendance à former des oursins si elles ne sont pas dispersées correctement dans le mélange. Pour éviter ce problème, les fibres ont été dispersées manuellement sur toute la longueur du tapis roulant avant la mise en place des granulats. De cette manière, les fibres seront introduites progressivement dans le malaxeur avec les granulats, limitant efficacement le risque de formation de paquets pouvant obstruer la tarière creuse. L’optimisation des formulations de CMC respectant le cahier des charges a été effectuée par itérations successives. Pour chaque nouvelle formulation, une première gâchée de 1,5 m3 est réalisée. Cette dernière est observée visuellement et un essai au cône d’Abrams est réalisé. Si le mortier répond à tous les critères du cahier des charges à l’état frais, cette formulation est produite en plus grande quantité et des colonnes CMC sont réalisées. Dans le cas contraire, la formule est ajustée (modification des quantités d’eau et de superplastifiant), puis analysée de nouveau. Les observations visuelles se focalisent sur la maniabilité du mortier, le ressuage, la dispersion des fibres, etc. Comme expliqué précédemment, les essais au cône d’Abrams sont réalisés par un laboratoire externe à l’entreprise. Les compositions des différents mortiers testés sont reportées dans le Tableau 1.25. Les résultats d’affaissement au cône d’Abrams et les observations visuelles à l’état frais y figurent également.

Essais de pompabilité à l’état frais

Sur ce chantier expérimental, un des objectifs était d’étudier le comportement des nouvelles formulations de CMC à travers un maximum d’essais aussi bien à l’état frais qu’à l’état durci. Pour cette raison, différentes colonnes ont été réalisées pour chacune des formulations sélectionnées dans la partie précédente (Tableau 1.26). La Figure 1.47 illustre la réalisation d’une colonne CMC classique sur ce chantier expérimental. En plus des essais effectués en centrale BPE par le laboratoire externe, des analyses additionnelles ont été menées sur les mortiers au moment de la réalisation des colonnes dans le but d’éviter les éventuels problèmes au niveau du pompage : Observations visuelles par des ouvriers expérimentés. Essais d’affaissement au cône d’Abrams 1 heure après le malaxage. Tests de pompage préalable à la réalisation des colonnes.

Mortier REF

Sur le chantier expérimental, un essai d’affaissement a été réalisé sur le mortier issu de la formulation REF-2 une heure après le malaxage en centrale. Cet essai a montré une valeur d’affaissement de 180 mm ce qui est très proche de la valeur observée initialement (190 mm). Le mortier était fluide et facilement pompable à travers l’équipement. Aucun problème n’a eu lieu durant la réalisation des colonnes avec ce mortier. Mortier GC Sur le chantier expérimental, un essai d’affaissement a été réalisé sur le mortier issu de la formulation GC15-1 après 1 heure. La fluidité avait légèrement augmenté durant ce temps avec un affaissement de 200 mm (soit + 20 mm en 1h). Le mortier a conservé une bonne consistance malgré cette fluidité élevée et aucun problème n’a eu lieu durant la réalisation des Chapitre 1 : Caractérisation 93 colonnes. Après le recepage des colonnes à l’état frais, certaines d’entre elles ont présenté un léger ressuage en tête sans que cela remette en cause leur recevabilité. Mortier GLF Comme expliqué précédemment, la fluidité du mortier GL30F15-3 a rapidement évolué à cause de l’absorption importante des billes d’argile non saturées. Ce mortier a par conséquent été écarté à cause de sa trop grande rigidité. Au final, la formulation GL30F15-4 a été utilisée pour la réalisation de colonnes. La maniabilité de ce mortier a aussi évolué rapidement en 1 heure en passant de 190 à 150 mm, mais est tout de même restée pompable. Les difficultés de production décrites dans la section 3.2 ont conduit à la production de 3 colonnes de CMC seulement.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE 1 : Caractérisation des mortiers constitutifs des colonnes à module contrôlé
Introduction
1 LES COLONNES À MODULE CONTRÔLÉ
1.1 LE PROCEDE CMC
1.1.1 L’entreprise Menard : inventeur du procédé CMC
1.1.2 Le fonctionnement du procédé
1.1.3 Le cahier des charges
1.2 REDUCTION DU MODULE D’ELASTICITE DU MORTIER PAR L’INTRODUCTION DE
GRANULATS LEGERS
1.2.1 Les différents types de granulats utilisables
1.2.2 Influence sur l’état frais
1.2.3 Influence sur les propriétés physiques à l’état durci
1.2.4 Influence sur les propriétés mécaniques à l’état durci
1.3 EFFET DE L’INTRODUCTION DE FIBRES DANS LE MORTIER
1.3.1 Les différents types de fibres
1.3.2 Influence sur l’état frais
1.3.3 Influence sur les propriétés physiques à l’état durci
1.3.4 Influence sur les propriétés mécaniques à l’état durci
1.4 CONCLUSION DE L’ETAT DE L’ART
2 CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE
2.1 CHOIX DES MATERIAUX ET FORMULATIONS
2.1.1 Les matériaux
2.1.2 Les formulations
2.1.3 La réalisation des mortiers
2.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
2.2.1 Essais à l’état frais
2.2.2 Propriétés physiques à l’état durci
2.2.3 Propriétés mécaniques à l’état durci
2.2.4 Propriétés de transfert à l’état durci
2.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
2.3.1 Propriétés à l’état frais
2.3.2 Propriétés physiques à l’état durci
2.3.3 Propriétés mécaniques à l’état durci
2.3.4 Propriétés de transfert à l’état durci
2.4 CONCLUSION DE LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE
3 MATERIAUX POUR CMC : DU LABORATOIRE AU CHANTIER EXPERIMENTAL
3.1 PRESENTATION DU PROJET
3.2 OPTIMISATION DES FORMULATIONS ET FABRICATION EN CENTRALE BPE
3.2.1 Optimisation des formulations
3.2.2 Fabrication des mortiers
3.3 ESSAIS DE POMPABILITE A L’ETAT FRAIS
3.4 ESSAIS PHYSICO-MECANIQUES A L’ETAT DURCI
3.4.1 Essais sur éprouvettes
3.4.2 Essais sur carottes
3.5 BILAN DU CHANTIER EXPERIMENTAL
3.5.1 Principales conclusions
3.5.2 Aspect financier
3.5.3 Solutions techniques envisageables
Conclusion générale du chapitre
CHAPITRE 2 : Étude de la durabilité des mortiers constitutifs des colonnes
à module contrôlé
Introduction
1 ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES CMC
1.1 ENVIRONNEMENT COURANT
1.1.1 Type de sols visés
1.1.2 Influence des eaux souterraines
1.2 ENVIRONNEMENTS PARTICULIERS
1.3 SYNTHESE DES DEGRADATIONS POTENTIELLES
2 DÉGRADATION PAR ATTAQUE ACIDE
2.1 ÉTAT DE L’ART
2.1.1 Définitions
2.1.2 Les différents types d’acide
2.1.3 Les mécanismes de dégradation
2.1.4 Paramètres gouvernant la cinétique de détérioration
2.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
2.2.1 Sélection de la solution acide
2.2.2 Analyse de la dégradation des constituants spéciaux
2.2.3 Première étude : analyse de la profondeur dégradée sur mortier non saturé
2.2.4 Deuxième étude : analyses physico-chimiques sur mortier saturé
2.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
2.3.1 Analyse de la dégradation des constituants spéciaux
2.3.2 Analyse de la profondeur dégradée sur mortier non saturé
2.3.3 Analyses physico-chimiques sur mortier saturé
2.4 CONCLUSIONS SUR LA DEGRADATION PAR ATTAQUE ACIDE
3 DÉGRADATION PAR ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE
3.1 ÉTAT DE L’ART
3.1.1 Définition des attaques sulfatiques
3.1.2 Sources et origines des sulfates externes
3.1.3 Les mécanismes de dégradation de la matrice cimentaire
3.1.4 Les paramètres agissant sur la cinétique de dégradation
3.1.5 Synthèse des essais expérimentaux
3.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
3.2.1 Les formulations testées
3.2.2 Mise en place des essais
3.2.3 Caractérisations effectuées au cours de l’essai
3.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
3.3.1 Expansion
3.3.2 Suivi de masse
3.3.3 Analyse de la structure interne par ultrasons
3.3.4 Suivi de la concentration en sulfate de la solution
3.3.5 Analyses MEB/EDS
3.3.6 Évolution des propriétés physico-mécaniques
3.4 CONCLUSIONS SUR LA DEGRADATION PAR ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE
4 DÉGRADATION PAR CRISTALLISATION DE SELS
4.1 ÉTAT DE L’ART
4.1.1 La problématique générale
4.1.2 Le processus de détérioration
4.1.3 Paramètres agissant sur la cinétique de dégradation
4.2 ESSAIS EXPERIMENTAUX
4.2.1 Les formulations testées
4.2.2 Absorption d’eau par capillarité
4.2.3 Première étude : cristallisation par remontée capillaire
4.2.4 Deuxième étude : Marnage
4.2.5 Troisième étude : Cristallisation interne forcée
4.3 RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.3.1 Absorption d’eau par capillarité
4.3.2 Première étude : cristallisation par remontée capillaire
4.3.1 Deuxième étude : marnage
4.3.2 Troisième étude : cristallisation interne forcée
4.4 CONCLUSION SUR LA DEGRADATION PAR CRISTALLISATION DE SELS
Conclusion générale du chapitre
CHAPITRE 3 : Prédiction des propriétés de diffusion des mortiers constitutifs des colonnes à module contrôlé
Introduction
1 LES MODELES PREDICTIFS EXISTANTS
1.1 APPROCHE ANALYTIQUE
1.1.1 Généralités sur la micromécanique
1.1.2 Schémas d’homogénéisation
1.1.3 Modélisation de la diffusion
1.2 APPROCHE PERIODIQUE
1.2.1 Introduction
1.2.2 Travaux de Dormieux & Lemarchand
1.2.3 Travaux de Bourbatache
1.3 APPROCHE PHENOMENOLOGIQUE
1.3.1 Études menées sur la diffusion des ions chlorures
1.3.2 Études sur la diffusion du calcium dans le cas de la lixiviation
2 PRESENTATION DU MODELE GENERALISE
2.1 INTRODUCTION
2.2 MODELE DE L’INCLUSION SPHERIQUE A N COUCHES
2.3 DESCRIPTION DU MODELE GENERALISE
2.3.1 Schéma à double échelle
2.3.2 Méthodologie de résolution
2.4 DETERMINATION DES DONNEES D’ENTREE
2.4.1 Fractions volumiques
2.4.2 Coefficients de diffusion
2.5 COMPARAISONS AVEC LES VALEURS EXPERIMENTALES
2.5.1 Calage avec le mortier REF
2.5.2 Mortiers à deux types de granulats
2.6 ÉTUDES PARAMETRIQUES
2.6.1 Effet de l’épaisseur de l’ITZ autour des granulats en caoutchouc
2.6.2 Effet des propriétés diffusives de l’ITZ autour des granulats en caoutchouc
2.6.3 Effet des propriétés diffusives des granulats d’argile expansée
2.7 LIMITATIONS DU MODELE ET PISTES D’AMELIORATIONS
Conclusion générale du chapitre
Conclusion générale de la thèse
Perspectives de la thèse
Bibliographie
Annexes