Etude paramétrique de l effet du dosage en super plastifiant sur la performance d un béton à haute performance

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1 Résumé : Etude paramétrique de l effet du dosage en super plastifiant sur la performance d un béton à haute performance N. TEBBAL (1) (1) Institut de gestion des techniques urbaines, Université de M sila, Algérie. tebbalnadia@yahoo.fr Z. RAHMOUNI (2) (2) Laboratoire Génie Civil, Département Génie Civil, Université de M sila, Algérie rahmouniz@yahoo.fr Un béton à hautes performances (BHP) est un béton caractérisé par une très forte résistance à la compression, puisque celle-ci est supérieure à 50 MPa à 28 jours, et des propriétés exceptionnelles à l'état frais, à court ou à long terme. La recherche des hautes performances passe par la réduction de la porosité du béton, c est-à-dire de son pourcentage de vides. Pour améliorer ses performances, il convient d'en diminuer cette porosité, soit en agissant sur la granulométrie en ajoutant des particules ultrafines, soit en ajoutant un adjuvant de type super plastifiant, soit le plus fréquemment les deux. L'objet de ce travail est l étude de la relation empirique entre la performance d un BHP et le dosage en super plastifiant. Elle a pour but de comprendre l effet du dosage en super plastifiant dans la formulation d'un BHP à base de matériaux locaux (sable de dune, sable de carrière, le laitier et le gravier) et de mettre en évidence les éventuelles interactions entre constituants. Ces examens ont été mesurés par la résistance mécanique. MOTS CLES : Béton haute performance, Résistance mécanique, Porosité, super plastifiant, granulométrie 1. INTRODUCTION On appelle adjuvant, tout ingrédient autre que le ciment, les granulats et l eau, que l on ajoute au mélange. Ce sont le plus souvent des polymères de synthèse au poids moléculaire assez élevé ( ). On peut classer les adjuvants selon leur fonction dans les catégories suivantes : Les super plastifiants Les retardateurs Les accélérateurs Les hydrofuges Un super plastifiant fait partie de la catégorie des adjuvants appelés «réducteurs d'eau» qui servent à diminuer la quantité d'eau nécessaire au mélange de béton. Des réducteurs d'eau normaux, à base d'acides lignosulfoniques, d'oxacides carboxyliques ou d'hydrates de carbone traités peuvent réduire d'environ 10 à 15 pour cent les besoins en eau. L'utilisation de plus grandes quantités pour réduire davantage la quantité d'eau entraîne des effets néfastes sur la prise, le contenu d'air, le ressuage, la séparation et le durcissement. La compréhension du mécanisme de fonctionnement des adjuvants, en particulier les plastifiants et les superplastifiants, dans l élaboration des bétons fait intervenir la nature du ciment. En effet, ces produits chimiques sont destinés à améliorer certaines propriétés du béton qui varient avec les composés principaux des ciments. La connaissance du comportement des ciments et des adjuvants permettra une optimisation de la formulation du béton. Rabat Maroc / Novembre

2 Cette étude a pour but d évaluer : - la perte d efficacité d un superplastifiant en présence d un ciment composé, sous une température élevée. - la perte d efficacité d un super plastifiant en présence d un ciment composé, sous un dosage élevée ou minimal ; Les résultats montrent que, Le dosage optimal doit être déterminé sur chantier en fonction du type de béton et des effets recherchés malgré que la plage de dosage est recommandée dans les fiches techniques. 2. MATERIEL ET METHODES 2.1. Matériaux utilises et mode opératoire - Un ciment de type CEM II/A 42,5 provenant de l'usine de L ACC, région de M sila. La composition chimique et minéralogique du ciment est présentée dans le tableau 1. - deux classes granulaires (gravier 3/8- gravier 8/15) d'origine naturelle, concassées provenant de la carrière COSIDERE, - Un sable fin de la région de BOUSAADA (0/5), avec un module de finsse égale à 2.12, - les ajouts cimentaires : la fumée de silice (MEDAPLAST HP) de GRANITEX Alger (tableau 2), le laitier granulé de hauts fourneaux de (ELHADJAR) Annaba (tableau 3), - Les super plastifiants : Un super plastifiant de type MEDAPLAST SP 40, Un super plastifiant de type PLASTIMENT BV40, Tableau 1. Compositions chimiques de ciment CPJ CEM I 42,5 Teneur en (%) CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO CL Na 2 O SO O.O Chaux libre Tableau 2. Caractéristiques physiques de la fumée de silice Forme Couleur Densité apparente Densité absolue Finesse Poudre Grise 0.5 2,2 0,15 m 2 /g Tableau 3. Composition chimique du laitier granulé Elément CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO K 2 O Na 2 O SO 3 PEF Teneur en (%) O Tableau 4. Les caractéristiques physiques et chimiques des super plastifiants PLASTIMENT BV40 MEDAPLAST SP40 Forme Aqueuse Liquide Rabat Maroc / Novembre

3 Couleur Brun foncé Marron PH 4.5±1 8,2 Densité 1.185± ,20 ± 0,01 Teneur en chlore ( g/l) < 0.1 < 1 Extrait sec (%) 39± Dosage recommandé du poids de ciment (%) 0.3 à à 2.5 Effet Présente un effet retardateur Ne présente pas d effet retardateur 3. RESULTATS OBTENUS 1- Effet de la température : Nous étudions la perte d efficacité d un super plastifiant en présence d un ciment composé sous une température élevée : Pour obtenir un BHP en utilisant la méthode de formulation de l université de Sherbrooke, qui permet de formuler des BHP sans air entraîné conformément à la norme ACI 211-1[Aitcin2001]. Dans cette partie on a réalisé 2 mélanges : Tableau 5 : Composition des bétons HP utilisés Ciment Fumée de silice Graviers Eau (L/ m 3 ) Super plastifiant MEDAPLAST SP40 Sable BFS % de poids de ciment BFS % de poids de ciment Tableau 6 : Composition de béton ordinaire utilisé (E/C = 0.55) Ciment Graviers Eau (L/ m 3 ) Super plastifiant MEDAPLAST SP40 Sable G (3/8) G (8/15) BO % de poids de ciment 662 A- Cure : Pour toutes les gâchées des bétons réalisés ; la maniabilité a été mesurée par l affaissement au cône d ABRAMS conformément à la norme NF EN L éprouvette est recouverte d un plastique afin de garantir les conditions d hydratation du béton. - Puis, elle est pesée et stockée pendant 24h à 20 C, le moule métallique est retiré. - L éprouvette est ensuite démoulée (le plastique est retiré) et stockée par immersion dans un bassin d eau saturée de chaux (ou dans un local à 95% d humidité et à 20 C) pendant 28 jours. B- Cycle de chauffage : Après la période de conservation de 28 jours, nous faisons subir aux bétons un cycle de chauffage. Ce cycle est composé d'une phase de chauffage, d'un palier et d'une phase de refroidissement. La vitesse de chauffage est de 10 c/mn. C- Essais mécaniques : Des essais résiduels sont effectués après le cycle d échauffement décrit dans le paragraphe précédent sur des éprouvettes cubiques (10x10x10cm) âgées de 28jours destinées pour la détermination de la résistance résiduelles à la compression. Rabat Maroc / Novembre

4 4. ANALYSE DES RESULTATS A partir des résultats obtenus, nous présentons les courbes suivantes : Rc ( MPa )apré le refroidissement , ,15 76, ,22 73,23 74,09 67,83 69, ,84 20C 200C 400C 600C 900C Température ( C ) Rc ( Mpa ) / 5%Fs et 1,5 super Rc ( Mpa ) / 5%Fs et 2 super Figure 1 : les résistances initiale et résiduelle à la compression de BHP Rc (MPa )apré le refroidissement ,4 47, C 200C 400C 600C 900C Température ( C ) Rc ( Mpa ) / 1% super Figure 2: les résistances initiale et résiduelle à la compression de BO Pour les BHP : On remarque une légère augmentation de la résistance à la compression à 200 C, Entre200 C et 400 C : augmentation remarquable d environ 15,12% - 23% pour BFS1 et BFS2 successivement ; ce qui montre que la valeur de la température qui provoque une perte significative de la résistance au delà de 400 C Entre 400 C et 600 C la diminution de la résistance mécanique des bétons. A 1000C on remarque une chute de la résistance du béton à l âge de 28j pour les bétons adjuvante à 1,5% ; alors que l éclatement a celles de 2%de dosage. Pour les bétons ordinaires : On remarque une perte de 8.93% de la résistance à la compression à 200 C, et 13,46% à 600 C, cette perte de la résistance explique la présence des fissures après exposition aux températures élevées. Le comportement observé des BHP et des bétons ordinaires aux températures élevées peut être expliqué par : Les bétons adjuvantés présentent des résistances à la compression élevées par rapport aux bétons non adjuvantés, de fait du rôle du super plastifiant dans la distribution des grains de ciment et l amélioration de la compacité du béton. A partir des résultats obtenus, on remarque que les bétons adjuvantés sont affectés par les hautes températures surtout au delà de 600C en comparaison avec ceux moins de dosage en super plastifiant ; La chute de résistance est estimée à 23% pour BHP avec 2% en super plastifiant exposés à une température de 1000C après 28j de durcissement, par contre elle est de 13,46% pour les bétons ordinaires. Ceci s explique par le fait que les super plastifiants peuvent être détruit et ils ne peuvent plus jouer leur rôle une fois le béton exposé aux fortes températures. En plus les bétons adjuvantés présentent une grande masse volumique et une faible perméabilité, ce qui ne permet pas à la vapeur d eau de s échapper ce qui accélère l éclatement du béton. Les BHP présentent une résistance supérieure à celle de BO, cela est du à l'augmentation du dosage en ciment et diminution du dosage en fumée de silice. mais à 600C les deux bétons ont un comportement similaire. 2- Etude de l effet du dosage en superplastifiant : Protocole expérimental Rabat Maroc / Novembre

5 La confection des éprouvettes et les conditions de conservation et d essais ont été réalisées selon les normes. Les séries d éprouvettes cubiques ont été réalisées selon la norme EN 206-1, pour la caractérisation de la résistance mécanique et l ouvrabilité du béton. On opère au coulage du béton et après 24h au démoulage des éprouvettes, celles-ci sont mises à la cure sous l eau pendant 28 jours à une température de 20 ± 2 C. Le ciment utilisé dans notre étude a un taux assez bon en C 3 S et un pourcentage en C 3 A acceptable. Or on sait que ces deux composants influencent favorablement le comportement du béton aux jeunes âges, le C 3 S agit principalement sur les résistances aux jeunes âges alors que le C 3 A est la phase qui contribue favorablement à la prise de la pâte de ciment. Quant au C 2 S, il contribue à développer les résistances à long terme, le ciment utilisé présente un taux assez bon dans cette phase. Dans cette 2eme partie on a utilisé deux types d adjuvant MedaplastSP40 et Plastiment BV40. Les compositions des bétons avec et sans pouzzolane retenues pour le programme expérimental sont reportées dans le tableau 7. Tableau 7 : Compositions des bétons Composition ( kg/m 3 ) BFSL1 Ciment Fumée De silice Gravier Eau Laitier Adjuvant en (%) Sable σ c 28j ( MPa ) MedaplastSP40 (1.3%) BFSL1 (Témoin) BFSL2 BFSL2 (Témoin) % Plastiment BV40 (1.5%) 1% Dans tout ce qui suit la légende suivante a été adopté : - BFSL: Béton de fumée de silice +laitier a des dosages (5%,10%). - BFS: Béton dosé a 5%fumée de silice - BO : béton ordinaire. - D après les résultats du tableau 7 ; on remarque que la perte d efficacité d un super plastifiant en présence d un ciment composé sous un dosage élevée ou minimal est expliquée par la diminution de la résistance mécanique qui atteint jusqu à 10% par rapport à la résistance du témoin. Outre une augmentation (non maîtrisée) de l ouvrabilité, un rajout de super plastifiant quel que soit, sur chantier peut avoir plusieurs conséquences systématiques sur la résistance mécanique et la durabilité. 5. CONCLUSION A l issu de cette recherche on peut tirer les conclusions suivantes : Les bétons adjuvantés exposés aux hautes températures présentent des résistances élevées à la compression par rapport aux bétons non adjuvantés, A 1000C on remarque une chute de la résistance du béton à l âge de 28j d âge pour les bétons adjuvantés à 1,5% et un éclatement des éprouvettes dosé à 2%. La perte de résistance à la compression de 9% à 200 C et de 13,5% à 600 pour les bétons ordinaires. La résistance des bétons varie suivant une même tendance, en effet pour les différents types de bétons (témoin ou avec ajouts), la courbe diminue légèrement puis s accroît pour atteindre le Rabat Maroc / Novembre

6 maximum de la contrainte aux environs de 400C, cette augmentation de la résistance serait le fruit de l effet des produits d hydratation additionnels. Ce gain de résistance a été observé aussi par (Kodur,2000). La perte de la résistance est attribuée en générale à l endommagement (fissuration interne) causés par les déshydratations, surtout au niveau des interfaces granulats/pâte de ciment, et à 900C sont déjà très endommagés. REFERENCE [1] Kodur. ((Spalling in high strength concrete exposed to fire- concerns, causes, critical parameters and cures)). Actes du congrès de I ASCE sur les structures, Philadelphia (PA), [2] Aitcin CP. 1995,((Development in the application of high performance concretes)), construction and building materials, vol.9,no;1,pp [3] Aitcin CP ((Béton haute performance)), Edition, Eyrolles, Paris. [4] Ghettache M.N.2002, ((Contribution à la valorisation des laitiers de hauts fourneaux d EL HADJAR dans le domaine de la construction - caractérisation des matériaux élaborés)), thèse de doctorat, université Mentouri Constantine.Algérie. [5] Dreux G.1998, ((Nouveau guide du béton)), Edition, Eyrolles, Paris. [6] Tebbal. N. et Rahmouni Z., ((Effet de la nature des granulats sur la durabilité d un BHP)). La 7eme Conférence International sur la Science des Matériaux ; Mai 2010 ; Beyrouth, LIBAN. [7] R. Chaid, Endommagement, déformations et microstructure des BHP de pouzzolane, 1st International Conférence on Sustainable Built environnement Infrastructures in Developing Countries, ENSET Oran (Algeria) - Octobre 12-14, 2009 Rabat Maroc / Novembre

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