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Theses Year : 2005

Self-compacting concretes segregation mechanisms - Experimental study of granular interactions

Mécanismes de ségrégation dans les bétons autoplaçants (BAP) - Etude expérimentale des interactions granulaires

Sandrine Bethmont
  • Function : Author

Abstract

Self-compacting concretes (SCC) have a high flowability and can be placed into formwork without vibration. However, due to their high deformability, they are liable to segregate. Segregation corresponds to the loss of homogeneity between both the granular and the suspending phases. Segregation is referred to as "static segregation" when it occurs after fresh concrete has been poured into formworks, and as "dynamic segregation" when it occurs during placing. SCC must be stable to ensure the homogeneity of the mechanical strength of the final structure and its durability. SCC mix design often consists in finding a good compromise between contradictory features, i.e. high fluidity and stability. Improving the control and the complete characterisation of the rheological behaviour of fresh SCC is required to study and better understand the basic phenomena at the origin of "static" segregation. More knowledge is needed to develop new tests to estimate the segregation risk of SCC. The stability of an isolated particle immersed in a suspending phase characterised by its shear yield stress, has been studied. The initiation of segregation essentially depends on both the size and specific gravity of the coarse aggregate and on the shear yield stress of the suspending matrix. However, avoiding segregation is also a matter of granular skeleton features. A new testing apparatus has been developed to bring to display and study the interactions between coarse aggregates. This apparatus enables to measure the resisting force of a granular lattice made of spherical particles of the same diameter, immersed in a suspending phase. By comparing tests performed on both lattice and elementary particle, the interactions between particles can be quantified and taken into account in the description of segregation mechanisms. Several tests have been performed by varying the composition of the suspending phase and the lattice characteristics. Group effects are positive as far as they enhance the stability of fresh SCC. However, they depend on the solid fraction of coarse aggregates. A new stability constant can be defined to describe the segregation mechanisms. Besides, an experimental study has been carried out on concrete to illustrate the possible repercussions on SCC mix design.
Les Bétons Autoplaçants (BAP) sont des matériaux extrêmement fluides qui se mettent en place sans vibration. Cependant du fait de leur fluidité, les BAP présentent un risque de ségrégation important, c'est à dire un risque de séparation entre la phase suspendante et les gros granulats. On parle de ségrégation dynamique lorsque cette séparation se produit pendant de la phase de remplissage du coffrage et de ségrégation statique une fois le matériau mis en place. La stabilité est une caractéristique essentielle puisqu'elle permet de garantir la durabilité de la structure et l'homogénéité des propriétés mécaniques une fois le matériau durci. Il s'agit donc de trouver un compromis entre deux caractéristiques qui peuvent sembler contradictoires: fluidité et stabilité. A l'heure actuelle, un manque de recul persiste au regard de la maîtrise complète du comportement rhéologique de ces nouveaux matériaux. De plus, il semble essentiel de comprendre les mécanismes d'initiation de la ségrégation statique afin de proposer un essai de caractérisation adéquat. Le comportement d'une seule particule immergée dans un fluide, caractérisé principalement par son seuil d'écoulement, a été étudié. Une recherche bibliographique et des essais de chute de bille menés dans des pâtes de ciment ont mis en évidence l'existence d'un critère de stabilité. Bien que l'initiation de la ségrégation statique soit essentiellement conditionnée par la taille et la densité des granulats, ainsi que par le seuil d'écoulement de la matrice cimentaire, le rôle de la phase granulaire ne peut être négligé. Un nouveau dispositif expérimental a été mis au point afin de mettre en évidence les effets de groupe des granulats. Il permet de mesurer l'effort de résistance d'un réseau granulaire modèle immergé dans une matrice cimentaire et donc d'intégrer l'influence des interactions entre particules à la description des mécanismes d'initiation de la ségrégation. Les résultats d'essais réalisés dans des pâtes de ciment issues de différentes compositions de BAP ont montré que les effets de groupe peuvent effectivement être mis en évidence. Ils s'avèrent positifs vis-à-vis de la stabilité, c'est à dire que chaque particule du réseau granulaire résiste plus qu'une particule isolée. Les effets de groupe dépendent par ailleurs de la fraction volumique du réseau. Une nouvelle constante de stabilité fonction de la fraction volumique a ainsi été définie. Quelques essais ont par ailleurs été menés afin d'appliquer les résultats expérimentaux à la formulation de bétons autoplaçants.
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Dates and versions

pastel-00001809 , version 1 (19-06-2006)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00001809 , version 1

Cite

Sandrine Bethmont. Self-compacting concretes segregation mechanisms - Experimental study of granular interactions. Engineering Sciences [physics]. Ecole des Ponts ParisTech, 2005. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001809⟩
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