Développement de bétons fibrés ultra performants pour la réalisation d'éléments de structure préfabriqués

Development of ultra high performance fibers reinforced concretes for the realization of structural precast elements

• Auteur / Autrice : Elsa Nguyen Phuong Amanjean
• Direction : Thierry Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions [Toulouse]

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton -- Détérioration

Propriétés mécaniques

Béton

Mots clés libres

Bétons fibrés ultra performants

Formulation

Comportement à l'état frais

Comportement mécanique

Microstructure

Propriétés de transfert

Dimensionnement

Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concretes

Mix design

Fresh behavior

Hardened behavior

Microstructure

Durability

Structural design

Résumé

Les Bétons Fibrés Ultra Performants (BFUP) sont les matériaux cimentaires aux performances les plus exceptionnelles. Ils se distinguent par des résistances caractéristiques à 28 jours en compression et en traction supérieures respectivement à 150 MPa et 6 MPa. Dans une politique globale de gestion économique et d'impact écologique de l'entreprise Lagarrigue, l'utilisation de BFUP en substitution des bétons de classe de résistance ordinaire en préfabrication parait pertinente. Cependant, les formulations actuelles onéreuses et peu écologiques limitent leur utilisation et leur essor. Cette étude a pour but de proposer des formulations de BFUP industrialisables caractérisées par un meilleur bilan économique et écologique, et conformes aux exigences de la prénorme matériaux BFUP (PR NF P18-470). Suite à une première étude de formulation et d'optimisation, quatre compositions de BFUP ont été mises au point sans traitement thermique, trois à base de métakaolin et une de référence plus classique avec fumée de silice. Leur caractérisation à l'état frais et à l'état durci a ensuite été réalisée afin de dresser leurs cartes d'identité et de les situer de manière réglementaire selon la prénorme (PR NF P18-470). Les bétons formulés sont autoplaçants et thixotropes. Le caractère thixotrope pouvant causer une discontinuité de l'interface entre deux couches de béton lors du coulage, des recommandations vis-à-vis du phasage de fabrication et de bétonnage ont été proposées. A l'état durci, un BFUP avec métakaolin et celui équivalent avec fumée de silice atteignent des résistances en compression supérieures à 150 MPa permettant de les classer en BFUP-S utilisables pour les structures alors que les deux autres formules à base de métakaolin dépassant les 130 MPa sont classés en BFUP-Z non structuraux (PR NF P18-470). En traction, trois BFUP sont de classe T2, leurs résistances élastiques et de post-fissuration sont respectivement comprises entre 6,0 et 8,0 MPa, et entre 4,6 et 7,0 MPa, une dernière composition étant à la limite de classification avec une résistance élastique et post-fissuration de 5,9 et 4,0 MPa respectivement. Les valeurs limites de retrait et du coefficient de fluage de la prénorme (PR NF P18-470) sont respectées. L'étude de la microstructure a permis de conforter certaines hypothèses émises lors de la caractérisation mécanique, notamment le retrait et le fluage. L'étude des propriétés de transfert montre une durabilité potentielle très élevée. La dernière phase constitue un aboutissement de ce projet avec la première application industrielle, basée sur le dimensionnement selon la future norme de calcul BFUP (PR-NF P18-710), qui concerne la réalisation d'éléments préfabriqués d'un ouvrage.

Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concretes are cementitious materials of exceptional performances. They are characterized by a compressive and tensile strength over respectively 150 MPa and 6 MPa at 28 days. Within a global management of economic and the environmental impact of Lagarrigue company, the use of UHPFRC in substitution of ordinary concrete in precast elements seems relevant. However, expensive materials and environmental cost of current mix design restrict their use and development. This study aims at proposing UHPFRC mix designs which are characterized by better economic and environmental cost and respect criteria of the pre-standard UHPFRC materials (PR NF P18-470). Firstly, an optimization study of UHPFRC mix design has been established, four mixtures have been developed without heat treatment application, three of them based on metakaolin and one with silica fume as a reference mixture. Secondly, the characterization of fresh and hardened state was conducted in order to establish their identity cards and confront them to the criteria of (PR NF P18-470. In the fresh state, all concretes studied are self-compacting concretes and present thixotropic character. The thixotropic character may cause a discontinuity of the interface between two layers of concrete during casting, recommendations of manufacturing and casting process have been proposed. In the hardened state, one UHPFRC with metakaolin and another one with silica fume reached compressive strengths over 150 MPa, they could be classified as UHPFRC-S and could be used for structures designs while the two other mixtures based on metakaolin exceeded 130 MPa were classified as non-structural UHPFRC-Z (PR NF P18-470). For tensile behavior, three UHPFRC are classed T2, their elastic and post-cracking strengths are between 6.0 and 8.0 MPa, and between 4.6 and 7.0 MPa respectively, while the last mixture is in the classification limit with elastic and post-cracking strengths of 5.9 and 4.0 MPa respectively. The limit values of shrinkage and creep coefficient recommended (PR NF P18-470) were satisfying. The microstructure evaluation allowed strengthening certain assumptions made in the mechanical characterization, including shrinkage and creep. The durability characterization showed very high potential sustainability materials. The last part is an outcome of this research project with the first industrial application, based on the structural design of the UHPFRC future standard (PR NF-P18-710) which concerns the realization of precast elements of a structure.