Modeling tools for concrete casting
Outils pour la modélisation de la mise en oeuvre des bétons
Résumé
Thanks to the recent advances in the cementitious materials rheology field, existing works allows for the physical quantification of workability of fresh concrete. The objective of this thesis is to develop techniques allowing for the prediction of casting according to these rheological measurements, the geometry of the element to be cast and the selected casting process. The methodology adopted is to isolate and treat each of the involved phenomena in a simpler configuration and then to gradually combine them ail. A simple model material able to reproduce the main features of the rheological behavior of concrete was first developed on the basis of glass beads of uniform diameter and roughness controlled mixed in a suspension of Carbopol (stable, transparent and non-thixotropic yield stress fluid). A series of tests with the model material in a bounded horizontal channel with or without steel bars allows for the following studies: The flow stoppage of the material as a function of its yield stress and the geometrical characteristics of the formwork; the flow stoppage as a function of the obstacles such as the steel bars; the particle jamming into the steel bars. These laboratory tests have been carried out in conjunction with analytical approaches and numerical simulations. A correlation analysis between the rheological properties of the material and the flow stoppage is proposed and compared with numerical simulations and experimental measurements. ln addition, a probabilistic approach able to predict the jamming of the coarsest particles into the steel bars according to basic variables such as the size of the grains, their concentration, the volume of material and the geometrical characteristics of the steel bars is proposed and validated in the case of real concrete. However, it is shown in the light of the extrapolated computation time that the numerical simulations used in this thesis and taking into account each of steel bars can not be considered as an engineering tool usable in practice. An analogy between reinforced zone and porous media is then proposed. 1t consists in considering con crete casting as the flow of a yield stress fluid into an anisotropic 'heterogeneous porous medium. 1t becomes thus possible to transform a given map of steel reinforcement into a map ofpermeability. This technique has been validated in the case of simple flows of real concrete in laboratory formwork.
Que ce soit sur chantier ou en usine de préfabrication, de nombreux incidents de mise en œuvre apparaissent encore régulièrement malgré l'utilisation industrielle de bétons de plus en plus fluides: le béton mis en œuvre n'atteint pas les zones les plus difficiles d'accès ou ne remplit les zones les plus ferraillées. Les Bétons Auto-Plaçant (BAP) ont bien sûr repoussé les limites traditionnelles de densité de ferraillage ou de forme des coffrages mais leur grande fluidité peut les rendre potentiellement sensibles à une ségrégation partielle de leurs composants en écoulement ou sous l'effet de la gravité. L'objectifde cette thèse est de développer des techniques de prédiction de la mise en œuvre du matériau en fonction des mesures rhéologiques, des caractéristiques de l'élément à réaliser et du processus de mise en oeuvre retenu. La méthodologie adoptée consiste à isoler et à traiter séparément chacun des problèmes évoqués dans une configuration simplifiée puis de combiner ensuite graduellement les phénomènes mis en jeu. Un matériau modèle simple similaire au béton réel et pouvant reproduire les principaux traits du comportement rhéologique du béton est d'abord mis au point à partir de billes de verre mono-disperses de rugosité contrôlée mélangées dans une suspension de Carbopol, fluide à seuil, stable, transparent et non thixotrope. Une série d'essais sur ce matériau modèle en canal horizontal non ferraillé ou ferraillé, permet alors l'étude des phénomènes suivants: L'arrêt de l'écoulement sous l'influence du seuil d'écoulement du matériau et des caractéristiques du coffrage; l'arrêt de l'écoulement sous l'influence d'un ferraillage élémentaire; le blocage des granulats au droit des armatures. Ces expériences de laboratoire sont menées en parallèle avec des approches analytiques et des simulations numériques. Une corrélation analytique entre les propriétés rhéologiques du matériau et l'arrêt de l'écoulement est proposée et comparée aux simulations numériques et aux mesures expérimentales. De plus, un modèle probabiliste permettant de prédire l'apparition du blocage des granulats au passage d'un ferraillage en fonction de la taille des grains, de leur concentration, du volume de matériau traversant et de la géométrie de l'obstacle est construit à partir des expériences sur fluides modèles et ensuite validé sur des bétons réels. Une analogie entre zone ferraillée et milieu poreux est proposée en considérant le coulage d'un béton comme la propagation d'un fluide à seuil dans un milieu poreux hétérogène et anisotrope. Il devient alors possible d'associer à un plan de ferraillage donné une cartographie de perméabilité et ainsi se passer du maillage de chacune des barres d'acier. Cette technique est validée dans le cas d'écoulements simples de bétons réels dans des coffrages de laboratoire.
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