Béton Projeté

Cet article présente l’état des connaissances actuelles dans le domaine du pompage, ainsi qu’une
description des travaux de recherche en cours à l’Université Laval en béton projeté par voie humide. Les
travaux visent l’identification des paramètres clés influençant la mobilité et la stabilité sous pression du
béton frais (pompage). Les propriétés rhéologiques et tribologiques du matériau sont exploitées et insérées
dans des modèles de prédiction de pression de pompage, tout comme le concept du coefficient de
remplissage des cylindres. Afin d’approfondir les connaissances acquises dans le domaine du pompage, des
travaux de recherche complémentaires sont entrepris au Centre de Recherche sur les Infrastructures en
Béton de l’Université Laval (CRIB). L’objectif principal est de caractériser et améliorer le procédé de
projection du béton par voie humide. Les travaux s’attardent d’abord à l’évaluation de l’influence du débit
d’air à la lance sur le rebond et les caractéristiques de mise en place. Ils permettront également d’évaluer
l’effet de l’utilisation de boyaux de moindre diamètre (moins de 50 mm) sur les pressions de pompage et
les propriétés du béton durci. Finalement, le projet vise la quantification de l’évolution des propriétés
rhéologiques et tribologiques dans le temps. En résumé, les travaux de recherche entrepris contribueront à
améliorer les outils et connaissances à la disposition de l’industrie, afin d’améliorer la qualité des
interventions en matière de béton projeté par voie humide.
Introduction
Le béton projeté par voie humide est une technique de mise en place du béton qui croît en
popularité depuis plus d’une vingtaine d’années. En réponse à cette demande croissante
et afin de demeurer compétitive, l’industrie du projeté se doit d’innover. Le procédé de
projection par voie humide et le pompage du béton sont des processus complémentaires,
tout avancement dans le domaine du pompage a inévitablement des répercutions positives
sur le béton projeté par voie humide. Les défis de l’industrie se traduisent par
l’établissement d’un compromis entre deux concepts: soit un béton assez maniable pour
être pompé, mais suffisamment consistant pour tenir en place sans s’affaisser une fois
projeté.
Cet article se veut, en premier lieu, une revue de l’état actuel des connaissances dans le
domaine du pompage du béton, particulièrement en ce qui concerne le béton projeté par
voie humide. En second lieu, l’article décrit le programme de recherche entreprit au
Centre de recherche sur les infrastructures en béton de l’Université Laval (CRIB). Ces
1travaux visent à générer des résultats expérimentaux qui contribueront à améliorer les
outils et connaissances à la disposition de l’industrie du béton projeté par voie humide.
Ce procédé sera donc caractérisé et amélioré en se basant sur l’évaluation de l’influence
du débit d’air à la lance sur le rebond, sur l’influence de l’utilisation de boyaux de
moindre diamètre (moins de 50 mm) sur les pressions de pompage et les propriétés du
béton durci ainsi que sur l’évolution des propriétés rhéologiques et tribologiques dans le
temps.
Pompage du béton
Le terme « pomper » du béton fait implicitement appel à la notion d’un béton pompable.
Il s’avère que la « pompabilité », ou l’aptitude d’un béton à être pompé, ne constituent
pas un concept simple et nécessite l’intervention de notions de stabilité et de mobilité. En
règle générale, la pompabilité d’un béton frais est définie comme la capacité d’un béton
en milieu confiné à se mobiliser sous pression tout en maintenant ses propriétés initiales
(Gray, 1962; Beaupré, 1994). Les recherches effectuées au cours des dernières années
dans le domaine du pompage du béton peuvent être classés en trois catégorie distinctes,
soit la stabilité du béton frais sous pression, la mobilité du béton frais confiné et
l’optimisation du squelette granulaire et des constituants du mélange.
Stabilité sous pression
Un premier aspect lié au pompage du béton est la perte d’air dans le matériau après
pompage. Cette perte d’air, variant de moins de un pourcent jusqu’à plus de cinq
pourcent, peut être très néfaste si le réseau de bulles d’air est suffisamment modifié pour
affecter la durabilité aux cycles de gel-dégel (Neville, 1995). Au début des années 1990,
Dyer (1991) proposa l’hypothèse (figure 1) que la pressurisation favorise la dissolution
des petites bulles d’air dans l’eau environnante. Lors de la dépressurisation, soit à la
sortie du boyau, les bulles d’air dissoutes réapparaissent dans les bulles non dissoutes
pour en former de plus grosses. De plus, Boulet (1997) démontra que le temps et
l’amplitude de la pression exercée sur le béton frais ont une incidence sur le réseau de
bulles d’air final. En effet, le nombre total de bulles d’air tend à diminuer et la taille
moyenne de ces bulles croître, ce qui a comme effet d’augmenter la distance moyenne
entre deux bulles d’air (facteur essentiel pour une bonne résistance aux cycles de gel
dégel).
Hypothèse
Initial Pressurisation Dépressurisation Consolidation
Figure 1: Hypothèse de la perte d’air lors du pompage (Dyer, 1991)
2Un autre aspect qui, malheureusement, survient parfois lors du pompage est la
ségrégation, soit la migration de l’eau ou de la pâte du mélange hors du squelette
granulaire due à la pression exercée. Cette ségrégation ou ressuage forcé mènent
habituellement à un blocage du matériau dans le boyau (Browne & Bamforth, 1977). Elle
est souvent associée à des mélanges de béton à haut rapport eau/ciment ou à des
mélanges qui possèdent une courbe granulométrique inadéquate (Powers, 1968).
Plusieurs chercheurs ont proposés des essais pour quantifier le potentiel d’un mélange
sous pression à résister au ressuage forcé en fonction de l’affaissement du béton frais.
Browne & Bamforth (1977) ainsi que Kaplan (2000) ont mis au point des essais
similaires pour mesurer la quantité d’eau extraite d’un mélange de béton frais sous
pression en fonction de l’affaissement pour ainsi identifier une zone où le mélange est dit
« pompable ». La principale différence entre les deux essais est que Kaplan (2000) exerce
des pressions moindres, et par le fait même, plus près des pressions réellement
engendrées dans un boyau lors du pompage. Kaplan (2000) établi également que des
mélanges associés à des vitesses élevées de ressuage forcé tendent à causer des blocages
lors du démarrage. Par conséquent, les mélanges présentant les vitesses de ressuage les
plus faibles possible sont à favoriser.
Mobilité et friction
En essayant de quantifier la résistance exercée par le béton dans une conduite lors du
pompage, Ede (1967) observa que l’écoulement d’un béton en conduite respecte les
principes reliés à l’hydraulique. De plus, il démontra que la résistance à l’écoulement est,
en règle générale, indépendante de la pression appliquée. La perte de charge engendrée
dans une conduite droite est par conséquent linéaire.
Plusieurs chercheurs ont tenté d’identifier une corrélation entre la vitesse d’écoulement
du béton frais dans une conduite et la friction engendrée en périphérie (Ede, 1967;
Browne & Bamforth, 1977; Tattersall & Banfill, 1983; Kaplan, 2000; Chapdelaine,
2006). Il existe une panoplie de résultats à ce sujet, mais leur variabilité rend l’analyse
difficile. Cette variation peut, en grande partie, être expliquée par le fait qu’une majorité
des modèles néglige l’élément dynamique du béton en mouvement. Certains se sont
attardés à cet aspect, se tournant vers des études rhéologiques et tribologiques. Le choix
semble justifié puisque la rhéologie constitue l’étude d’un fluide en mouvement et la
tribologie l’étude de l’interaction des surfaces en mouvement.
Il est aujourd’hui accepté, grâce à plusieurs recherches effectuées sur la rhéologie
(Tattersall & Banfill, 1983; Tattersall, 1991; Bartos, 1992; Beaupré, 1994; Ferraris & de
Larrard, 1998; Chapdelaine, 2006), que le béton frais respecte un modèle rhéologique
Binghamien. Le seuil de cisaillement (τ
0) ainsi que la viscosité plastique (μ) (voir figure
2) du béton frais sont les deux propriétés qui décrivent l’ensemble du comportement du
béton frais. En effet, pour mettre le béton frais en mouvement, un effort minimal
équivalent au seuil de cisaillement doit être fourni. Une fois le mouvement amorcé, la
force requise pour déformer le béton est directement proportionnelle au taux de
cisaillement appliqué, taux relié à la viscosité plastique du matériau.
3Cisaillement (τ)
Seuil
(τ
0) Taux de cisaillement (γ)
1
μ
Plus visqueux
Moins visqueux
1
μ
Modèle Binghamien:
τ= τ
0 + μγ&
Figure 2: Représentation graphique du modèle Binghamien
L’utilisation d’un tel modèle permet d’inclure la composante de viscosité du béton, et non
seulement le seuil de cisaillement obtenu à l’aide d’essais d’affaissement. Bref, la
compréhension et l’exploitation du comportement Binghamien du béton frais sont
essentielles pour bien caractériser les comportements d’écoulement des bétons actuels.
La tribologie n’a pas bénéficié d’autant d’efforts de recherche, probablement relié au fait
que la tribologie concerne plus spécifiquement le domaine du pompage. C’est au tournant
du siècle dernier que des chercheurs se sont attardés à l’utilisation du rhéomètre et du
tribomètre pour la caractérisation du comportement du béton à l’état frais destiné au
pompage (Kaplan, 2000; Chapdelaine, 2006). La figure 3 illustre un tribomètre utilisé par
Chapdelaine (2006) dans ses travaux de doctorat.
Figure 3 : Photos du tribomètre : à gauche, vue générale avec tribomètre en caoutchouc et à droite,
vue de près avec tribomètre en acier en mouvement
Kaplan (2000) utilisa les propriétés obtenues à l’aide d’un rhéomètre ainsi qu’un
tribomètre pour développer un modèle bilinéaire qui établi les pressions requises lors du
pompage (figure 4) en fonction du débit. Il est intéressant de noter que, d’après son
modèle, pour de faibles vitesses de pompage, seules les propriétés de l’interface
(tribologie) sont nécessaire pour décrire adéquatement le comportement du béton. Par
contre, à des vitesses plus élevées, le modèle requiert les propriétés de l’interface et de
viscosité plastique pour prédire les pressions de pompage. Ce concept implique qu’à de
faibles vitesses de pompage, le béton se déplace en un seul morceau (plug flow) dans le
4boyau, une mince couche de pâte lubrifiant les parois. Il s’agit de la limite d’initiation de
l’écoulement associée au dépassement du seuil de cisaillement à l’interface par le taux de
cisaillement appliqué. L’augmentation de la vitesse de pompage permet d’atteindre une
valeur critique de la pression exercée sur la portion centrale du morceau pour induire un
écoulement visqueux dans cette portion centrale.
Débit
Pression
α
β
Q1
P1
P0
1 : Écoulement
« Plug Flow »
2 : Friction +
écoulement
visqueux
1 2
Zone de friction
Zone en bloc
Zone de friction
Restant de zone en bloc
Zone cisaillée
Profile de vitesse
Figure 4 : Modèle de Kaplan (2000) et représentation schématique de l’écoulement dans le boyau
pour les deux portions du modèle
Paramètres influençant le pompage
Plusieurs paramètres sont susceptibles d’influencer les pressions de pompage et
ultimement, la capacité ou non de pomper un mélange. Les principaux facteurs
investigués sont l’effet du volume de pâte, du rapport eau/ciment et ainsi que des
réducteurs.
Effet du volume de pâte
Sans grande surprise, le volume de pâte est un aspect très important pour le pompage.
Des études ont démontrées qu’un minimum de pâte, situé autour de 30 % en volume, doit
être présent dans le mélange pour que celui-ci soit pompable (Chapdelaine & Beaupré,
2000). Ce contenu en pâte doit être suffisant pour enrober tous les granulats. Il a
également été démontré qu’il y a diminution des pressions de pompage (pompage plus
aisé) pour une augmentation du volume de pâte, à un rapport e/c constant (figure 5).
50
500
1000
1500
2000
2500
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Mix A
Mix B
Friction (Pa)
Vitesse effective (m/s)
+pâte Ciment ternaire avec laitier
Mix A: 38% pâte volume
Mix B: 32% pâte volume
Figure 5 : Effet du volume de pâte sur les propriétés de pompage
Effet du E/L
Le rapport de eau/liant est, sans aucun doute, le facteur le plus influent sur les pressions
de pompage. L’aptitude au pompage d’un béton croit lorsque le rapport eau/liant
augmente (figure 6), concept souvent observé en chantier. Par contre, les bétons à trop
haut rapport eau/liant sont plus sujet à la ségrégation, donc à un blocage dans le boyau,
phénomène également constaté en chantier.
0
500
1000
1500
2000
2500
0 0,5 1 1,5 2 2,5
ST-2-450
ST-2h-330
LT-2-450
Friction (Pa) LT-2h-330
Vitesse effective (m/s)
E/L=0,40
E/L=0,65 + E/L
0
500
1000
1500
2000
2500
0 0,5 1 1,5 2 2,5
ST-2-450
ST-2h-330
LT-2-450
Friction (Pa) LT-2h-330
Vitesse effective (m/s)
E/L=0,40
E/L=0,65 + E/L
0
500
1000
1500
2000
2500
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Mix A
Mix B
Mix C
Mix D
Vitesse effective (m/s)
E/L=0.40
E/L=0.65 + E/L
Friction (Pa)
Mix A: 450 kg/m3
Ciment
ternaire avec cendres volante
Mix B: 330 kg/m3
Ciment
ternaire avec cendres volante
Mix C: 450 kg/m3
Ciment
ternaire avec laitier
Mix D: 330 kg/m3
Ciment
ternaire avec laitier
Figure 6 : Effet du rapport E/L sur les propriétés de pompage
6Effet des réducteurs sur le pompage
En général, les blocages surviennent dans les éléments réducteurs habituellement situés à
la sortie de la pompe. Deux phénomènes interviennent lors du passage du béton dans un
réducteur, soit l’augmentation relative de pâte nécessaire pour maintenir la couche
lubrifiante ainsi que l’augmentation de la vitesse du béton pour un débit constant.
Le premier phénomène, soit l’augmentation relative de la pâte nécessaire pour lubrifier
l’intérieur du boyau, est bien illustré à la figure 7. Le périmètre de la section de béton
illustrée est entouré d’une fine couche de pâte, soit celle correspondant à la zone en
cisaillement (« friction ») de la figure 4, estimée d’épaisseur constante de 1 mm.
( ) ( )
( )2
1
2
1
2
1
R
eRR
P
−−
=
P: Quantité relative de pâte
dans la couche limite
R1: Rayon du boyau
e: Mince couche
d’approximativement
1 mm Béton
Couche limite e
R1
Figure 7 : Calcul de la quantité relative de pâte nécessaire pour former la couche lubrifiante
Cette information permet d’établir un graphique mettant en relation l’augmentation
relative du volume de pâte en fonction du diamètre du boyau pour une couche constante
de pâte lubrifiante de 1 mm. Il est intéressant de noter que, d’après le graphique de la
figure 8, un boyau de 125 mm de diamètre requiert 3.2 % du volume totale de pâte pour
assurer une couche lubrifiante de 1 mm et qu’un boyau de 50 mm de diamètre en requiert
7.8 %.
L’augmentation de la vitesse du béton dans un réducteur, soit le second phénomène
impliqué lors du passage du béton dans un réducteur, est dû à la réduction du diamètre de
la section pour un débit de béton constant. Il fut démontré précédemment que
l’augmentation de la vitesse du béton exige une augmentation de la pression exercée par
la pompe. La figure 8 montre la relation entre le diamètre d’un boyau et la vitesse du
béton. Il est intéressant de constater qu’une diminution de moitié du diamètre d’un boyau
fait quadrupler la vitesse dans le boyau.
70
2.5
5.0
7.5
10.0
0 50 100 150 200
Quantité relative de pâte pour
former la couche lubrifiante (%)
Vitesse relative du béton (m/s)
Quantité relative de pâte pour la couche lubrifiante
Vitesse relative (m/s)
Diamètre du boyau (mm)
Figure 8 : Effet du diamètre du boyau sur la vitesse d’écoulement du béton et sur la quantité relative
de pâte nécessaire pour former la couche lubrifiante
Ces deux phénomènes engendrent donc des effets très sévères sur le béton s’écoulant
dans un réducteur. Pour prévenir les blocages associés à ces phénomènes, le mélange de
béton doit posséder suffisamment de pâte pour produire la couche lubrifiante et cette pâte
doit atteindre le périmètre du boyau suffisamment rapidement pour assurer la
lubrification.
Modèle de prédiction de pompage
Au cours des dernières années, des chercheurs ont mis sur pieds des modèles de
prédiction des pressions de pompage en fonction du débit d’écoulement du béton à l’aide
de mesures rhéologiques et tribologiques (Kaplan, 2000; Chapdelaine, 2006). Le but de
cet article n’étant pas de présenter ces modèles, il importe tout de même de souligner leur
existence et les principaux obstacles auxquels les chercheurs ont fait face.
Un obstacle important que certain modèle néglige et que d’autres considèrent constant est
le concept du coefficient de remplissage des cylindres. Dans ses recherches,
Chapdelaine (2006) observe que le coefficient de remplissage des cylindres varie pour un
mélange donné. Pour obtenir un modèle de prédiction de pompage le plus représentatif,
les causes de ce phénomène se doivent d’être approfondies et mieux contrôlées.
Coefficient de remplissage des cylindres
Le coefficient de remplissage théorique des cylindre fut établi en fonction du temps
effectif de pompage (le temps ou le béton est réellement en mouvement), du temps
moyen d’un coup de pompe et du temps que prend la valve pour se déplacer d’un
8cylindre à l’autre. Ces valeurs peuvent toutes être obtenues en instrumentant un boyau
avec des capteurs de pression. Pour valider ce concept, la masse de béton sortant du
boyau a été pesée. Chapdelaine (2006) constata une bonne concordance avec les
prédictions théoriques. Il a par ailleurs observé que le coefficient de remplissage (Kcfc)
des cylindres ne variait pas seulement avec le type mélange, mais également avec le débit
de la pompe. La figure 9 illustre un exemple de graphique de la relation entre le débit de
la pompe et le coefficient de remplissage des cylindres. Il est intéressant de noter que
Chapdelaine (2006) obtient des coefficients de remplissage des cylindres variant de 0.7 à
0.9.
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 2 4 6 8 10
kcfc
Débit (m³/h)
Figure 9 : Relation entre Kcfc et le débit à la pompe pour un mélange
Projet de recherche en béton projeté par voie humide
Le béton projeté par voie humide est un matériau de plus en plus populaire pour la
réalisation de différents ouvrages du génie civil. Cette méthode de mise en place du béton
s’améliore sans cesse et profite des plus récents développements dans le domaine du
béton. Les travaux de recherche entreprit au Centre de recherche sur les infrastructures
en béton de l’Université Laval visent à caractériser le béton projeté par voie humide en
vue d’identifier des paramètres clés qui doivent être exploités afin d’améliorer le procédé.
Plus précisément, les paramètres évalués seront l’influence du débit d’air à la lance sur
les propriétés du béton tel la composition en place, le contenue en air, la teneur en eau, la
résistance à la compression et l’absorption. L’effet du débit d’air à la lance sera
également évalué à l’égard de la quantité de rebond produit.
Les essais seront réalisés à l’aide d’équipements de taille réelle, conforme à ce qui est
utilisés en chantier. Un des paramètres évalué sera l’influence de l’utilisation d’un boyau
de petit diamètre sur les pressions de pompage simultanément aux paramètres mentionnés
précédemment.
L’étude se penchera également sur l’effet de l’ajout de fibres synthétiques et d’acier dans
les mélanges sur les propriétés du bétons frais et durci. Il est important de noter que les
9dosages, autant en ciment qu’en adjuvant ou en fibre, sont étroitement reliés avec les
valeurs utilisées en chantier, permettant ainsi un transfert aisé des résultats obtenus. Tous
les essais seront réalisés avec des ciments type 10 et des ciments type 10 avec ajouts de
fumé de silice.
En parallèle, l’évolution des propriétés rhéologiques et tribologiques du béton dans le
temps sera quantifiée. Ces résultats seront d’une aide précieuse pour continuer à
améliorer les modèles de prédiction des pressions de pompage à l’aide des propriétés
rhéologique et tribologique. Ces résultats pourraient également permettre de développer
une méthode d’exploitation de la thixotropie d’un béton afin d’augmenter les épaisseurs
de projection sans avoir recours à des accélérateurs de prises.
Dans le but de confirmer l’hypothèse de Dyer (1991) voulant que l’air dans le béton sous
pression dans un boyau tende à se dissoudre, des essais de béton sous pression seront
réalisés. Des bétons frais seront soumis et maintenus à des pressions semblables à celles
encourues lors des pompages jusqu’à la prise finale du béton. Des observations au
microscope seront effectuées afin de caractériser le réseau de bulle d’air.
Conclusions
Le pompage du béton s’avère être une méthode de transport du béton en constante
évolution dans le monde entier. Dans la dernière décennie, la popularité croissante du
béton projeté par voie humide ainsi que la sévérité croissante des devis à l’égard des
performances des bétons a propulsé le pompage du béton à un niveau supérieur. Comme
démontré précédemment, certains aspects de la pompabilité du béton nécessite davantage
d’attention. Les auteurs espère que les travaux de recherche entrepris au Centre de
recherche sur les infrastructures en béton de l’Université Laval (CRIB) contribueront à
améliorer les outils et connaissances à la disposition de l’industrie, afin d’améliorer la
qualité des interventions en matière de béton projeté par voie humide.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier le Conseil de recherches en sciences naturelles et en
génie du Canada (CRSNG) pour leur participation financière par le biais de la Chaire
industrielle sur le béton projeté et les réparations en béton. Les membres de cette chaire
sont : le ministère des Transports du Québec, la Ville de Québec, la Ville de Montréal,
Master Builders Technologies Ltd, King Package Materials and Co., Ciment St-Laurent
Inc., Lafarge Canada Inc., Rhodia, Grace et Hydro-Québec. Il est également important de
souligner la participation de Adjuvant Euclid Canada Inc., Pompage Industriel du Québec
Inc., ainsi que Allentown Equipment.
Références
Bartos, P. (1992). Fresh Concrete Properties and Tests. Elsevier, N.Y., 292 pages.
10Beaupré, D. (1994). Rheology of High Performance Shotcrete. Civil Engineering
Departement, University of British Columbia, Canada. Ph.D. Thesis, 250 pages.
Boulet, D. (1997). Influence du pompage sur les caractéristiques du réseau de bulles d’air
du béton. Département de génie civil, Université Laval, Canada. Mémoire, 200 pages.
Browne, R.D., Bamforth, P.B. (1977). Tests to Establish Concrete Pumpability. ACI
Journal, Vol. 74, No. 5, May, pp. 193-207.
Chapdelaine, F., Beaupré, D. (2002), Le volume de pâte de liant : une condition
nécessaire au pompage du béton, Progrès dans le domaine du béton 2002, ACI Section du
Québec et de l’est de l’Ontario, Ottawa, 3-4 décembre 2002.
Chapdelaine, F. (2006). Étude fondamentale et pratique sur le pompage du béton.
Département de génie civil, Université Laval, Canada. Thèse, 200 pages.
Dyer, R. M. (1991). An Investigation of Concrete Pumping Pressure and the Effects of
Pressure on the Air-Void System of Concrete. Master Thesis, University of Washington,
223 pages.
Ede, A.N. (1967), The resistance of concrete pumped through pipelines, Magazine of
Concrete research, vol 9, no. 27, nov, 1967, pp. 129-140
Ferraris, C., De Larrard, F. (1998), Testing and modelling of fresh concrete rheology,
National Institute of Standards and Technology, NISTR 6094, Gaithersburg, MD,
February, 61 p.
Gray, J. (1962) Laboratory procedure for comparing pumpability of concrete mixtures,
presented at the sixty-fifth annual meeting of the society, National Crushed Stone Assn.,
Washington, D.C., June 24-29, pp. 964-971
Kaplan, D. (2000) Pompage des bétons, Thèse de doctorat de l’École Nationale des Ponts
et Chaussées, 225 p.
Neville, A.M. Properties of Concrete. Pearson Education Ltd., Singapore, 1995
Powers, T.C. (1968) The Properties of Fresh Concrete, John Wiley & Sons inc., New
York, 664 p.
Tattersall, G.H. & Banfill, P.F.G. (1983) The Rheology of Fresh Concrete, London,
Pitman, 1983, 356 p.
Tattersall, G.H. (1991) Workability and Quality Control of Concrete, London,
E & FNSPON, 1991, 262 p.