Comportement Rhéologique des mortiers industriels

par Abdelhak Kaci

Thèse de doctorat en Mécanique. Génie mécanique. Génie civil

Sous la direction de Mohend Chaouche.

Soutenue en 2008

à Cachan, Ecole normale supérieure .


  • Résumé

    Les mortiers industriels sont composés d'un liant (ciment et/ou chaux), de granulats de différentes tailles, formes et nature (sables, charges, pigments colorants, etc. ) et d'adjuvants organiques ou minéraux. Les mélanges sont effectués en usine et le produit est conditionné en sacs. L’applicateur rajoute la quantité d’eau nécessaire avant une mise en place qui s’effectue le plus souvent par pompage-projection (enduits de façade et certains mortiers techniques). Lors d’un tel procédé le matériau est soumis à une suite complexe de différents types d’écoulement. Par ailleurs, compte tenu de la composition granulaire du produit plusieurs problèmes sont rencontrés lors des applications sur chantier. Cela inclut le bouchonnage, le mauvais entrainement au niveau de la pompe ("effet tunnel"), fluage une fois sur le support, etc. Il est évident que les propriétés de mise en place de ces matériaux sont déterminées par leur comportement rhéologique. L’objectif de ce travail de thèse était de relier de manière claire les problèmes liés au procédé de pompage-projection aux propriétés rhéologiques des matériaux. Les mortiers industriels sont caractérisés par des seuils d’écoulement et des consistances relativement élevés. Par ailleurs, ils sont constitués de différentes phases qui peuvent éventuellement se séparer lors des mesures. Ainsi il a fallu développer une méthodologie spécifique pour ce type de matériaux. Pour caractériser les problèmes de blocage d’écoulement nous avons utilisé l’essai d’écrasement (squeeze test). Cela a permis de déterminer des diagrammes séparant les zones dans lesquelles le matériau peut être déformé en restant homogène de celles où l’on a apparition d’une séparation liquide-granulats aboutissant éventuellement au blocage. Nous avons considéré tout d’abord le cas de mortiers modèles pour lesquelles on a fait varier aussi bien la rhéologie de la phase liquide que la perméabilité du squelette granulaire. Il a été montré que pour minimiser les risques de blocage on peut aussi bien augmenter la consistance de la phase liquide (effet des épaississants) que diminuer la perméabilité du réseau granulaire. Des simulations numériques basées sur un modèle diphasique ont été développées. Les simulations ont permis de reproduire qualitativement la plupart des observations expérimentales. Les courbes d’écoulement des matériaux obtenues en rhéométrie (avec le système Vane) ont généralement des allures très complexes. Elles présentent souvent un profond minimum signe d’une forte localisation du cisaillement. Par ailleurs les matériaux sont soit thixotropes soit rhéopexies, selon la gamme de taux de cisaillement considérée. Ces comportements rhéologiques sont discutés ici en relation avec les propriétés de mise en place par pompage-projection. En particulier, il est montré qu’il est possible de prévoir la plupart des problèmes d’application à partir des courbes d’écoulement. En s’inspirant des résultats de rhéométrie nous avons développé un test simple pour caractériser la pompabilité des mortiers. Ce test peut être utilisé directement sur chantier ou pour une aide à la formulation en usine ou au laboratoire.

  • Titre traduit

    Rheological behaviour of industrial mortars


  • Résumé

    Industrial mortars are roughly composed of a binder (cement and/or lime), sand, granular charges and different polymer and organic admixtures. They are provided to the construction sites as ready-mix powders to which a given dosage rate of kneading water is added to obtain a homogeneous paste. This mortar paste is then placed following processing involving in general highly complex flows (pumping, spaying, etc. ). A number of practical problems can be encountered during the placement process (in particular in machinery applications), including flow-blockage, lack of worm drive, creeping, etc. It is clear that all these issues are closely related to the rheological behaviour of the mortar paste. The primary objective of this thesis program is to relate the properties of pumping-spaying of render mortars to their rheological behaviour. These materials are actually characterised by a quite high yield stress and they are composed of different granular phases that may separate under flow. It is then necessary to develop specific procedures to characterise their flow. One of the origins of flow blockage in machinery applications may be attributed to solid-liquid separation under compressional flow. In this investigation we use the squeeze test to mimic and consider quantitatively this situation. The squeeze tests are performed either at controlled velocities or fixed applied normal forces. Flow diagrams separating flow zone parameters and blockage are then determined. It is shown with model suspensions that the flowability zone can be extended both by increasing the consistency of the fluid phase and by decreasing the permeability of the granular skeleton. This shows that the flow blockage issue is controlled by the competition between the suspension flow as a whole and the filtration of the fluid phase through the porous media made up by the solid particles. Numerical simulations based on a diphasic model taking into account filtration are then conducted. Our numerical simulations are in qualitative agreements with all the experimental observations. The flow curves of the render mortars as determined with a 4-blade vane geometry are quite complex, in particular at controlled shear-rates. In this case deep minima are observed indicating that we may have strong localisation. In addition, the materials display both thixotropy and rheopexy, depending upon the shear-rate interval considered. Other rheological properties are also investigated, including transient properties (thixotropy), yielding and creep. These properties are discussed in relation with the practical problems encountered in pumping applications. Finally a simple test procedure, based on slump determination of cylindrical samples subjected to different shear histories, is suggested to characterise pumpability of render mortars. More calibration investigation is needed in order to use this test in practise as a mixdesign aid or as a control-test for render mortars.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (182 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 175-182

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