poussée du béton autocompactant sur les coffrages
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Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page �
PROJETS – ETUDES Ö
1 InTRODUcTIOn
Essentiellement cantonné aujourd’hui en préfabrication, le béton autocompactant (BAC) tarde à faire sa percée dans le secteur du prêt-à-l’emploi, tant chez nous qu’à l’échelon mondial. En cause notamment un certain nom-bre d’obstacles techniques, parmi lesquels le coût supérieur des mélanges, l’absence d’essais normalisés adaptés et le manque d’expérience sur les chantiers.
Un précédent cahier des Dossiers du CSTC [7] explicitait la caractérisation du béton, le contrôle in situ ainsi que les méthodes d’es-sai envisageables. Le présent article traite de la poussée du BAC sur les coffrages, un problème fréquemment évoqué, d’autant que l’information et l’expérience en la matière font cruellement défaut. La poussée latérale exercée sur les coffrages par le BAC frais et l’évolution de cette poussée dans le temps sont des données mal connues et donc difficiles à contrôler. Aussi se contente-t-on souvent en pratique de prendre en compte purement et simplement la pression hydrostatique, ce qui conduit parfois à une surestimation et à des dépenses supplémentaires.
Plusieurs auteurs signalent par ailleurs que cer-tains BAC associés à des adjuvants favorisant le comportement thixotrope du béton sont de nature à réduire sensiblement la pression sur les coffrages. Le CSTC a examiné dans quelle me-sure il était possible de mesurer cette pression d’une façon simple dans le cas d’un BAC et a déterminé la poussée produite sur les coffrages
Poussée du béton autocompactant sur les coffrages
? N. Cauberg, ir., conseiller technologique (1), chercheur, laboratoire ‘Structures’, CSTC J. Desmyter, ir., conseiller technologique (1), chef du département ‘Géotechnique, Structu-
res et Développement durable’, CSTC J. Piérard, ir., conseiller technologique (2), chercheur, laboratoire ‘Technologie du béton’,
CSTC Avec la collaboration de B. Parmentier, ir., chef adjoint de la division Géotechnique et
Structures, CSTC
(1) Guidance technologique ‘Prestatiegerichte betonsoorten’ subsidiée par l’IWT (Institut flamand pour l’encouragement de l’innovation par la science et la technologie).
(2) Guidance technologique ‘Mise en œuvre des bétons spéciaux’ subsidiée par la DGTRE (Direction générale des Technologies, de la Recherche et de l’Énergie).
La poussée latérale exercée sur les coffrages par le béton autocompac-tant (BAc) frais et son évolution dans le temps sont des données souvent méconnues et donc difficiles à contrô-ler. Aussi se contente-t-on souvent en pratique de prendre en compte pure-ment et simplement la pression hy-drostatique, ce qui conduit parfois à une surestimation et à des dépenses supplémentaires. cet article présente les résultats de la recherche menée à ce sujet par le cSTc.
par certains BAC. Outre quelques conclusions glanées dans la littérature, le présent article reprend les détails de la recherche, qui visait notamment à confronter certaines hypothèses.
Plus concrètement, la recherche entreprise par le CSTC avait pour objectif :
de concevoir des systèmes de mesure sim-ples, en vue de déterminer la poussée du BAC sur un coffrage; le choix et l’optimisation d’un système adéquat devraient permettre non seulement un mesurage rapide et non destructif, mais également un monitoring en cours de bétonnaged’évaluer l’influence des principaux para-mètres de mise en œuvre sur les pressions exercées (vitesse d’élévation du béton dans le coffrage, type de béton, viscosité, densité d’armatures).
2 cALcUL SELOn LES mODèLES ExISTAnTS
Dans la pratique, la pression exercée par un béton sur un coffrage est généralement calculée par le fournisseur du coffrage. Ce calcul s’effec-tue sur la base de modèles existants qui tentent de prendre en compte les différents paramètres d’influence. Conçus pour le béton traditionnel, ces modèles généralement empiriques se dis-tinguent par le nombre de paramètres utilisés et par la façon dont ils transposent ces paramètres en données chiffrées. Les principaux modèles (équations) appliqués sont définis dans les ouvrages suivants :
norme allemande DIN 18218 [10]rapport n° 108 du CIRIA [8]norme néerlandaise NEN 6722 [19]recommandations du Français Adam [1] et du Canadien Gardner [12].
•
•
••••
Les modèles de la norme allemande (→ A, p. 2) et du CIRIA (→ B, p. 3) sont surtout utilisés pour les bétons traditionnels.
3 mODèLES ET REcOmmAnDA-TIOnS APPLIcABLES AU BAc
Il n’existe à l’heure actuelle aucun modèle normalisé permettant de calculer la poussée du BAC sur les coffrages. Les modèles précités, applicables au béton traditionnel, ne peuvent être utilisés tels quels. Il est couramment admis que la poussée du BAC peut être nettement plus élevée que celle d’un béton traditionnel, mais elle n’atteint en aucun cas la pression hydrostatique. La littérature et les expériences menées avec ce type de béton révèlent des données pour le moins contradictoires. Les poussées mentionnées sont éminemment va-riables, passant d’une fraction de la pression hydrostatique (moins qu’un béton traditionnel) à 100 % de cette dernière [voir les références 2 à 6, 17, 18, 20, 21 et 25].
Dans ce contexte, les conditions limites s’avè-rent particulièrement importantes [9]; citons :
la vitesse d’élévation du béton : une montée rapide du béton dans le coffrage entraîne généralement une augmentation de la hauteur piézométriquela méthode de pompage : l’injection du béton par le bas du coffrage produit invariable-ment une poussée hydrostatique sur toute la hauteur du coffrage; dans certains cas, la pression a tendance à augmenter encore davantage lorsque les pompes sont particu-lièrement puissantesla hauteur du coffrage : sur de trop petits mu-rets d’essai, les mesures ne concernent que le front hydrostatique et pas le fléchissement de la pression, comme c’est habituellement le cas lorsque la hauteur de bétonnage dépasse quelques mètres (cf. figure 4, p. 3)le recours à des adjuvants spéciaux : l’emploi d’adjuvants augmentant la durée d’ouvrabi-lité du béton, voire de retardateurs de prise a non seulement pour effet d’accroître la poussée, mais également de la maintenir plus longtemps.
On comprend dès lors la prudence des spé-cialistes, qui recommandent de tenir compte d’une pression hydrostatique sur les coffrages
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CalCul de la poussée du béton sur les Coffrages selon la norme dIn 18218Cette norme propose une évolution de la pression en deux phases (voir la figure �) :• d’abord une pression hydrostatique évoluant en fonction de la hauteur• puis une pression constante.
La figure 2 représente les configurations possibles lorsque la hauteur totale du coffrage est inférieure ou supérieure à cinq fois la vitesse d’élévation du béton dans le coffrage.
La valeur de hs peut être déterminée à l’aide de diagrammes tels que celui représenté à la figure 3, où il est tenu compte de diverses hypothèses, à savoir :• masse volumique du béton frais égale à 25 kN/m³• prise du béton après 5 heures au maximum• coffrage étanche• serrage à l’aiguille vibrante (interne)• température du béton frais de +�5 °C• vitesse maximale de bétonnage de 7 m/h.
a
Fig. 1 Evolution de la pression.
pb
h s
5 v b
hs : h������� p������������� ��� �������� p������������� ��� ��� �pb : p��ss�� �� b����� �����sp��ss�� �� b����� �����s
��� ������ ����vb : v���ss� �����v������ �� b�����v���ss� �����v������ �� b�����
����s �� c������g�, ��� ��h�� ��h
En cas d’écart par rapport à ces hypothèses, des adaptations du calcul sont proposées; ainsi, par exemple, si l’on utilise des adjuvants qui modifient l’ouvrabilité du béton et/ou le temps de prise, il y a lieu d’augmenter la hauteur piézométrique (hs).
Fig. 3 Hauteur piézométrique selon la norme DIN 18218.
Ha
ute
ur p
Iézo
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)
5
4
3
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pres
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140
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110
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50
40
30
20
10
0
VItesse d’éléVatIon du béton vb (��h)
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Co
mpa
CIté selo
n Wa
lz
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0HypotHèses � �• ��ss� v�������� �� b�������ss� v�������� �� b�����
�����s : 25 ���� : 25 ����3
• p���s� �� b����� : 5 hp���s� �� b����� : 5 h : 5 h• c������g� �����ch�c������g� �����ch�• s������g� �� ����g����� v�b�������s������g� �� ����g����� v�b�������
(����������)• ���p��������� �� b����� �����s :���p��������� �� b����� �����s : :
+15 °C
E���s
P�����s
Béton fluide (�7 . v
(�7 . v
b + �7)
K3 (�4 . v
b + �8)
K2 (�0 . vb + �9)
K� (5 . vb + 2�)
Fig. 2 Configurations possibles pour �� �� ≤ 5 vb et �� > 5 vb.A. h ≤ 5 vb B. h > 5 vb
pb
h s
h ≤
5 v b
5 v b
pb
5 v b
h sh s
5 v b
h >
5 v
b
hs : h������� p������������� ��� �������� p������������� ��� ��� �pb : p��ss�� �� b����� �����s ��� ����p��ss�� �� b����� �����s ��� ������ ����vb : v���ss� �����v������ �� b����� ����s �� c������g�, ��� ��hv���ss� �����v������ �� b����� ����s �� c������g�, ��� ��h�� ��h
[16, 24]. C’est notamment le cas des récentes Recommandations européennes concernant le BAC [11]. Quant au manuel édité en 2005 par
Stubeco [22], qui fait référence en matière de coffrages, il s’en remet au Rapport du CIRIA, ajoutant toutefois qu’il y a lieu d’admettre
l’hypothèse d’une évolution hydrostatique. Se fondant sur ses propres recherches et sur la littérature, la cellule d’étude de Stubeco [23]
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b CalCul de la poussée du béton selon le rapport n° 108 du CIrIaCe rapport fréquemment utilisé propose les deux formules suivantes pour déterminer la pression maximale Pmax exercée sur les coffrages :
P C R C K H C Rmax . . . .= + -� 2 �
ou Pmax = D . h
Dans ces formules, on a :• C� : coefficient de forme du coffrage; égal à � pour des voiles et à �,5
pour des colonnes [-]• C2 : coefficient lié au type de béton et de ciment (voir tableau �) [-]• D : masse volumique du béton frais [kN/m³]• H : hauteur verticale du coffrage [m]• h : hauteur de chute dans le coffrage [m]
• K : coefficient de température, KT
=+
æ
èç
ö
ø÷
36�6
2
• R : hauteur d’ascension du béton dans le coffrage [m/h]• T : température de mise en œuvre du béton [°C].
On retient la formule qui fournit la valeur la plus faible pour Pmax [kN/m²].Si l’on compare la figure 4 et la figure �, on remarque immédiatement queles deux méthodes aboutissent à une distribution similaire des pressions,soit une pression hydrostatique dans la partie supérieure de l’ouvrage et une pression constante dans la partie inférieure. Le diagramme de la figure 4 fait également apparaître une donnée fréquemment pressentie, à savoir : la chute de la poussée sur le coffrage dans la partie inférieure de l’ouvrage.
P��x
D
Fig. 4 Evolution de la pression sur les coffrages [8].
H��
�����
��
b���
��h
(�)
h (
�)
P��x
C����b� �� p���ss���� �yp� (b����� ������������)
C����b� �� p���s-s���� c��c����
C����b� �� p���s-s���� hy����s�������
Ev�������� p���b�b�� �� �� p���ss���� ����� b����� ������fl���� (BAC)
P���ss���� (���� (����2)
Tableau 1 Valeurs du coefficient C2 [8] (les dénominations du ciment ont été adaptées au contexte belge).
Valeur de c2
0,3
0,45
0,45
0,6
0,6
Type de liant
Ciment Portland (CEM I) avec ou sans adjuvants (sauf retardateurs)
Ciment Portland (CEM I) avec retardateurs
CEM II/A-S, CEM II/A-V, CEM II/B-S, CEM II/B-V et mélanges de ciments contenant moins de 70 % de laitier de haut fourneau ou de cendres volantes, avec ou sans adjuvants (sauf retardateurs)
CEM II/A-S, CEM II/A-V, CEM II/B-S, CEM II/B-V et mélanges de ciments contenant moins de 70 % de laitier de haut fourneau ou de cendres volantes, avec retardateurs
Mélanges contenant plus de 70 % de laitier de haut fourneau ou de cendres volantes, avec ou sans adjuvants
exclut par ailleurs la possibilité d’adopter une règle de calcul générale.
Si la recherche menée par le CSTC s’est essentiellement intéressée aux conditions limites précitées (leur influence sur la poussée maximale dans les coffrages étant prédomi-nante), il convient toutefois de ne pas perdre de vue les paramètres adoptés pour le béton classique (température du mélange, tempéra-ture extérieure, type de ciment, ...). Ceux-ci conditionnent essentiellement la vitesse de raidissement du béton et l’évolution dans le temps de la pression exercée sur les coffrages. Par contre, leur action sur la pression maximale est restreinte, sauf si le bétonnage se prolonge pendant plusieurs heures.
Le cas échéant, le raidissement du béton déter-minera en effet dans quelle mesure la pression sur les coffrages s’accumule en hauteur pour atteindre la pression hydrostatique :
évolution complète (jusqu’à 100 %) si le raidissement est nul ou très lentbaisse significative en cas de raidissement rapide du mélange.
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Comme nous l’avons déjà signalé, certains auteurs font état d’une réduction potentielle de la poussée de certains BAC sur les coffrages, expliquant le phénomène par le comportement thixotrope du béton.
Précisons simplement qu’un BAC thixotrope se caractérise par une fluidité apparemment plus grande dès que le béton est en mouvement et par une certaine raideur lorsqu’il est au repos. La thixotropie du béton se définit comme une décroissance de la viscosité sous l’effet d’une contrainte de cisaillement. L’absence de cette dernière – comme dans un béton au repos – en-gendre une hausse (apparente) de la viscosité, laquelle serait précisément responsable de la réduction de la poussée.
Si les parois sont peu épaisses, on peut égale-ment évoquer un certain effet ‘silo’. L’influence exacte de ce phénomène dépend dans une large mesure de la fluidité du béton, ce qui en rend l’évaluation particulièrement malaisée. Ce phénomène n’a par conséquent pas été étudié dans le cadre de ce projet.
4 SySTèmE DE mESURE mIS AU POInT POUR DéTERmInER LA POUSSéE DU BéTOn IN sITu
4.1 ChoixdesCapteurs
Outre les performances de mesure et l’impact minimal sur le coffrage et le béton, les critères de choix des capteurs étaient guidés par la précision des mesures dans le béton (alcalinité, chaleur d’hydratation, ...), les possibilités de placement et de récupération ainsi que l’acqui-sition des données.
Sur cette base, cinq types de capteurs ont été retenus : quatre types différents de capteurs de pression et un dynamomètre à placer sur les entretoises (figures 5 à 9, p. 4), le capteur de type 2 pouvant être considéré comme instrument de référence pour les mesures de poussée du béton.
4.2 MiseenplaCe
Des accessoires ont été spécialement conçus
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Fig. 9 Capteur 5 (dynamomètre).
Fig. 5 Capteur 1. Fig. 6 Capteur 2. Fig. 7 Capteur 3.
Fig. 8 Capteur 4.
pour chaque type de capteur afin de faciliter la mise en place et la récupération du matériel.
La surface de mesure a en outre été protégée par un film plastique. Trois méthodes de pose ont été adoptées selon le type de capteur :
pose à l’intérieur du coffrage (capteur de type 1, figure 10)pose dans le plan du panneau de coffrage (capteurs 2, 3 et 4) : cette méthode nécessite le percement du coffrage (figure 11), sauf dans le cas du capteur 3 (figure 12) dont la petite taille autorise une pose dans les orifices destinés aux entretoises dans les panneaux de coffrage préfabriquéspose sur les entretoises (capteur 5, figure 9) : la difficulté consiste ici à assurer la simplicité de l’ensemble (configuration du coffrage, disposition des entretoises et des capteurs) en vue de l’interprétation des mesures. Les efforts mesurés doivent en effet être convertis en valeurs de pression.
4.3 etalonnagedesCapteurs
Bien que l’on connaisse la gamme des mesures
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•Fig. 11 Capteur 2 (à gauc��e) et capteur 4 (à droite) disposés dans le coffrage.
Fig. 10 Capteur 1 (avec accessoire) disposé dans le coffrage.
Fig. 12 Accessoire pour la pose du capteur 3.
Fig. 13 Mesure de la pression de référence à l’une des extrémités du tube.
Fig. 14 Placement du capteur à étalonner à l’autre extrémité (bouc��on réversible pour c��aque capteur).
et la puissance de sortie des différents capteurs, chacun d’eux doit cependant être étalonné indi-viduellement afin de garantir une interprétation correcte des résultats. L’étalonnage effectué au moyen d’une pression d’eau et d’un capteur de référence s’avère être la méthode la plus indiquée (figures 13 et 14); un tube spécial a été conçu à cet effet pour permettre des mesu-res jusqu’à 3 bar en valeurs absolues (pression atmosphérique comprise).
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L’étalonnage a été réalisé pour une plage de 0 à 150 kN/m² en valeurs relatives, les courbes ainsi établies constituant la base d’interpréta-tion des mesures.
4.4 essaisàpetiteéChelle
Les performances des capteurs ont été testées dans un petit coffrage (hauteur 100 cm, largeur 23 cm, cf. figure 15) rempli d’eau ou de béton. Les résultats ont révélé une assez bonne corré-lation entre les différents types de capteurs.
En valeurs absolues, la poussée exercée par le béton autocompactant est très proche de la pression hydrostatique, ce qui est somme toute logique. La hauteur réduite de béton n’est dans ce cas certainement pas supérieure à la hauteur piézométrique hs (voir également la figure 4, p. 3).
La crainte de voir la température exercer une in-fluence excessive sur la qualité des mesures (en raison de la chaleur d’hydratation) s’est avérée non fondée. La hausse des températures le long des panneaux de coffrage ne se produit en effet qu’après la disparition de la poussée.
5 ESSAIS SUR VOILES En VRAIE gRAnDEUR
5.1 Coffrages
Lors de la seconde phase de recherche, un dis-positif d’essai de grande envergure (figure 16) a été élaboré en vue de confectionner une di-zaine de voiles dans des conditions contrôlées. L’applicabilité des capteurs et l’influence des divers paramètres de mise en œuvre ont ainsi pu être évaluées.
Le dispositif d’essai (dimensions : 4,05 m de hauteur, 1,20 m de largeur et 0,30 m d’épais-seur) était constitué par des panneaux de cof-frages préfabriqués. Au total, dix voiles ont été érigés au moyen du même coffrage, mais avec des paramètres de mise en œuvre différents, à savoir :
une vitesse de mise en place du béton de 5 m/h et de 10 m/h, soit une cadence légè-rement supérieure aux valeurs couramment admises pour la réalisation de voiles en béton. Le recours au béton autocompac-tant et donc la suppression du serrage par vibrations permettent parfois d’accélérer le bétonnage. Une vitesse d’élévation de 10 m/h implique un remplissage du coffrage sur une hauteur de 4 m en 24 minutes; une cadence de 5 m/h requiert évidemment deux fois plus de tempsprésence d’armatures : deux situations extrê-mes ont été testées, l’une avec un minimum d’armatures, l’autre avec un maximum d’armatures (minimum : 0,3 %, en fait : 1 % afin d’obtenir une cage d’armatures
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Fig. 15 Petit coffrage expérimental.
manipulable – maximum : 4 % selon les prescriptions de l’Eurocode 2)type de béton : les essais ont été effectués avec trois types de BAC de composition rhéologique différente. Le troisième type de BAC contient un agent de viscosité (VMA) permettant d’obtenir une certaine forme de thixotropie. Un voile en béton traditionnel a été réalisé à titre de référence.
La position des capteurs variait aussi bien dans le sens vertical (mesure de l’évolution verticale de la poussée) que dans le sens ho-rizontal (des capteurs de type différent ont été alignés horizontalement pour permettre une comparaison).
L’installation des dynamomètres sur les entre-toises a requis une attention particulière, tant en ce qui concerne la pose elle-même que la configuration du coffrage.
Un coffrage étant généralement un ouvrage hyperstatique, il n’est pas toujours possible de déterminer directement quels efforts seront repris par telle ou telle entretoise, ce qui rend malaisée la conversion ultérieure des efforts sur les entretoises en termes de poussée réelle du béton.
Une configuration adaptée du coffrage a été mise au point en concertation avec le four-nisseur (du coffrage) afin de permettre une interprétation optimale des résultats de mesure obtenus avec les dynamomètres. Les dynamo-mètres des quatre entretoises centrales enregis-trent la poussée reprise par un pan de coffrage relativement large, ce qui se révèle important compte tenu de la vaste gamme de mesures propre à ces capteurs (300 kN).
La figure 17 (p. 6) illustre l’emplacement et la répartition des capteurs.
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Fig. 16 Construction du coffrage.
Si l’on considère aussi bien l’assemblage entre les deux panneaux de 90 cm de longueur que les assemblages d’angle comme des rotules, près des deux tiers de la poussée sur le coffrage de-vraient en théorie être repris par les entretoises centrales équipées du dynamomètre.
Une analyse par éléments finis a permis de vérifier cette hypothèse pour un pan du coffrage (figure 23, p. 9).
5.2 forMulations
Les formulations de béton sont classées en quatre catégories et présentent chacune des caractéristiques rhéologiques différentes (voir tableau 2, p. 7).
Les caractéristiques de chaque formulation sont les suivantes :
mélange C1 : mélange de référence présen-tant un étalement d’environ 750 mmmélange C2 : mélange plus stable caractérisé par un étalement d’environ 700 mm et une teneur en filler plus importantemélange C3 : mélange plus visqueux que C1 et C2, contenant un agent de viscosité (VMA)mélange N : béton traditionnel de classe de consistance S3.
Chaque formulation a fait l’objet d’une mise au point préalable en laboratoire. A cet effet, les constituants ont été commandés à la centrale à béton, de manière à ce qu’ils soient identiques à ceux utilisés dans les fournitures de béton ultérieures. Un soin particulier a été apporté au choix du superplastifiant, dans la mesure où l’on escomptait une ouvrabilité relativement constante sur une période prolongée (60 mi-nutes minimum), qualité que la plupart des superplastifiants ne possèdent pas forcément.
Les formulations ainsi optimisées ont ensuite été communiquées à la centrale à béton qui assurait les fournitures (il ne s’agissait donc pas d’une commande classique fondée sur les cinq exigences principales des normes NBN EN 206-1 et NBN B 15-001, mais d’une com-mande basée sur une composition prescrite). Pour maintenir l’ouvrabilité requise aussi
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longtemps que possible, le superplastifiant a été incorporé sur chantier. En effet, pour pou-voir caractériser le béton, il était nécessaire d’effectuer au préalable un certain nombre d’essais pratiques. De plus, certains voiles re-quéraient une durée de mise en place du béton de 50 minutes.
Le tableau 3 (p. 7) présente les résultats d’essai du BAC frais destiné aux voiles (avant cou-lage). Pour le voile 8 (en béton classique), seul l’affaissement a été déterminé comme c’est le cas habituellement. Après coulage du béton, les essais sur le mélange frais ont été répétés afin de quantifier le maintien de l’ouvrabilité. On a ainsi pu constater dans la plupart des cas que celle-ci ne diminuait que dans une faible mesure.
Pour chaque voile, quelques essais de détermi-nation de la prise du béton (selon la méthode
Fig. 17 Plans de coffrages montrant la disposition des capteurs et des entretoises.
A. VuE E� éléVAtio�
Ha
ute
ur (
c�)
400
348
273
212
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0
F
E
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C
B
A
1 = c�p����� 1c�p����� 1 12 = c�p����� 2c�p����� 2 23 = c�p����� 3c�p����� 3 34 = c�p����� 4c�p����� 4 45 = c�p����� 5c�p����� 5 5
E���������s�s �v�c �y���������
E���������s�s �v�c �x����s�����
B. CouPE trA�sVErsAlE
E���������s�sP��������x ������ ����g����� �� 90 c�
‘r������
3 4 2
1
3 3 5 3 3
Kelly-Bryant) [14] ont été effectués sur des prismes conservés à pied d’œuvre afin qu’ils soient exposés à des conditions identiques (figure 18).
On considère que la prise du béton est achevée dès qu’une force de plus de 400 N est nécessaire pour extraire une tige du prisme.
Fig. 18 Prismes confectionnés pour les essais de prise du béton.
Fig. 19 Montage des deux coffrages d’essai.
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Tableau 2 Formulations utilisées pour la construction des voiles.
mélange c1
750
0,5�
�0
5
mélange c1
337
�59
0
330
599
763
0
�73
�2
0
mélange c1
2372
mélange c2
700
0,52
20
�0
mélange c2
3�2
225
0
306
555
8�0
0
�62
�5
0
mélange c2
2385
mélange c3
700
0,52
20
60
mélange c2
355
�54
0
320
58�
740
0
�86
8
5
mélange c3
2349
mélange n
S3
0,57
–
–
mélange n
28�
209
0
237
490
230
798
�60
0
0
mélange n
2405
caractéristiques attendues
Consistance ( (slump flow) (mm)
Rapport E/C
Seuil d’écoulement ( (yield value) (Pa)
Viscosité (Pa.s) (Pa.s)
composition (�g�m (�g�m3)
Ciment CEM I 52,5 N CEM I 52,5 N
Filler calcaire
Fumée de silice
Sable 0/�
Sable 0/2
Granulat calcaire 2/8
Granulat calcaire �0/�4
Eau
Superplastifiants (SP� et SP2) (SP� et SP2)
Agent de viscosité (VMA) (VMA)
masse volumique théorique(�g�m3)
Tableau 3 Performances du béton frais des voiles M2 à M10 avant coulage.
(�) Pour plus de détails au sujet des méthodes d’essai, on consultera utilement l’article paru dans les Dossiers du CSTC 4/2005 [7].(2) M8 = voile en béton classique.M8 = voile en béton classique..
Paramètres d’exécution
Formulation de béton
Densité d’armatures(%)
Vitesse de coulée (m/h) (m/h)
Résultats d’essai (1)
Etalement (mm) (mm)
T 50 mm (s)
Vitesse d’écoulement à l’entonnoir (s) (s)
Etalement au J-Ring(mm)
Hauteur de blocage au J-Ring (h�/h2)
Ratio ‘boîte en L’ (-) (-)
Teneur en air (%) (%)
Masse volumique(kg/m3)
Profondeur de pénétration(mm)
Stabilité au tamis(%)
Etalement après coulage (mm)
Perte d’étalement moyenne après coulage (mm) (mm)
m2
C�
�
5
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–
–
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page 8
PROJETS – ETUDES Ö
5.3 réalisationdesMesures
Les résultats de mesure ont été traités au moyen de deux systèmes d’acquisition reliés à un PC pour l’enregistrement des signaux (figure 20).
Ces résultats, exprimés en volts ou en millivolts (V ou mV), sont convertis en valeurs de pres-sion (kN/m²) à l’aide des courbes d’étalonnage établies antérieurement. On obtient ainsi, pour chaque capteur, la poussée du béton dans le temps (voir figure 21 pour le voile 5).
Si, pour chaque capteur, on considère en pre-mier lieu la poussée maximum du béton, on peut comparer cette valeur avec la pression hydrostatique théorique à la même hauteur.
ExEmPlE
Le capteur 5 a été placé à une hauteur de �7 cm dans le voile 5, ce qui donne une hauteur de béton de 383 cm.
En admettant l’hypothèse d’une poussée hydrostatique, ce capteur est susceptible de recevoir une pression de 88 kN/m² (d’après les mesures de masse volumi-que effectuées sur le béton frais, soit 2338 kg/m³ dans le cas du voile 5). La poussée mesurée dans le voile 5 s’élève à 80 kN/m², ce qui représente 90 % de la pression hydrostatique.
Cette évaluation peut être effectuée pour chaque capteur et pour chaque voile.
Fig. 20 Moniteurs de mesure.
Fig. 21 Evolution de la poussée du béton pendant et après le coulage (résultats obtenus avec l’ensemble des 16 capteurs du voile 5).
Les mesures ont clairement mis en évidence les bonnes performances des petits capteurs de pression (type 3, voir figure 7, p. 4) ainsi qu’une bonne corrélation avec les capteurs de référence (type 2). Les deux autres capteurs de pression fournissent généralement des valeurs compara-bles, bien que certaines d’entre elles atteignent parfois des extrêmes inexplicables.
5.4 interprétationdesrésultats
Les résultats enregistrés par certains capteurs illustrent l’évolution de la pression selon la hauteur du béton dans le coffrage (figure 22, p. 9). Les nombres figurant dans la légende du graphique (50, 150, 250, 350 et 405) correspon-dent à la hauteur du béton. Ainsi, la courbe 405 montre l’évolution de la pression dans le cof-frage rempli de béton. Les nombres indiqués à
chaque point de mesure donnent le pourcentage de la poussée de béton mesurée par rapport à la pression hydrostatique. Ces graphiques ont été établis compte tenu d’une progression moyenne mais continue du bétonnage. Si la durée totale du bétonnage était de 25 minutes, on a supposé, pour établir les graphiques, que la vitesse de coulée était constante. La figure 21 montre qu’en fait, le bétonnage ne s’est pas déroulé de manière totalement continue et ce, en raison de la vitesse minimum de la pompe.
r Résultats de mesure des dynamo-mètres
Les résultats fournis par les dynamomètres peuvent être interprétés sur la base de la mo-délisation du coffrage précédemment évoquée. La sollicitation théorique est calculée à partir des résultats enregistrés par les capteurs de pression, de façon à ce qu’une bonne corrélation implique une similitude des résultats entre les capteurs de pression (dans le coffrage) et les dynamomètres (disposés sur les entretoises). La modélisation fait apparaître une bonne cor-rélation pour les deux entretoises inférieures, les plus sollicitées, mais révèle des différences entre les deux entretoises supérieures.
Les figures 23 et 24 (p. 9) montrent les défor-mations et les efforts résultant de la simulation faite pour un pan de coffrage.
L’analyse des efforts exercés sur le coffrage a bien entendu été fortement simplifiée. Un cof-frage étant en principe une structure hyperstati-que, il y a lieu de tenir compte de la raideur des éléments, du report exact des moments pour les différents encastrements, etc. La simplification présentée ici permet cependant d’effectuer une évaluation rapide des efforts résultants.
Ces forces de réaction sont reportées dans le sens horizontal, d’une part, sur les entretoises centrales (équipées des dynamomètres) et, d’autre part, sur les entretoises latérales (munies d’extensomètres).
La répartition calculée de ces efforts résultants s’établit comme suit : 72 % sur l’entretoise si-tuée le plus au centre et 14 % sur les entretoises de gauche et de droite. Pour contrôler cette répartition horizontale, deux des murs d’essai ont été équipés d’extensomètres placés sur les entretoises latérales. Les résultats de mesure obtenus pour les deux murs montrent des ré-sultats similaires et confirment globalement la répartition horizontale.
En résumé, on peut dire que les résultats des deux dynamomètres inférieurs (hauteurs B et C, fig. 17, p. 6) sont conformes aux prévisions. Quant aux deux dynamomètres supérieurs (hau-teurs D et E), les résultats sont très disparates et ne correspondent pas toujours aux calculs; on obtient en effet, dans le cas du dynamomètre
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0 50 100 150 200 250 300
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page 9
PROJETS – ETUDES Ö
D2, tantôt une surestimation, tantôt une sous-estimation.
Il convient toutefois de préciser qu’il est de loin plus fastidieux d’analyser les résultats
50 c�
150 c�
250 c�
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Fig. 22 Evolution de la poussée du béton lors du coulage dans le coffrage du voile 5.
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Hauteur de béton croissante
94 %
95 %
92 %
96 %
92 %
91 %
des dynamomètres que d’interpréter ceux des capteurs de pression. Il faut en effet disposer d’un modèle (simplifié) du coffrage sur la base duquel on peut contrôler, pour une sollicitation imposée (fictive), la ‘répartition’ des efforts à
la surface du coffrage. Les forces de réaction qui en résultent donnent une indication de la relation entre la poussée sur le coffrage et les efforts mesurés sur les entretoises. Dans ces conditions, il est dès lors malaisé de se pro-noncer avec précision sur l’évolution réelle de la poussée à l’intérieur du coffrage.
Dans la pratique, toutefois, les fournisseurs de coffrages savent généralement quels sont les efforts admissibles sur les entretoises, tant en ce qui concerne la charge maximale par entre-toise, que pour ce qui est de la déformation du coffrage. En effet, si une pression excessive à l’intérieur de la structure n’entraîne pas né-cessairement sa rupture, elle peut néanmoins provoquer une déformation inadmissible du coffrage et, partant, de la surface de l’élément en béton.
Le dynamomètre utilisé constitue dès lors un excellent moyen pour contrôler rapidement les efforts exercés sur les entretoises les plus sollicitées durant la mise en place du béton et effectuer ainsi une estimation prudente de la poussée maximale escomptée sur le coffrage.
Fig. 23 simulation d’un pan de coffrage (voile) par la mét��ode des éléments finis.
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Fig. 24 simulation par la mét��ode des éléments finis des actions exercées sur un pan de coffrage (voile).
l�s �������������s ���s��������s s���� �g���-����� ���������s (���s ��� s���� p�s ���p���-s������s �� ���ch����).
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page �0
PROJETS – ETUDES Ö
5.5 influenCedesparaMètresétudiés
Les analyses et les diagrammes proposés ci-avant pour déterminer la poussée (maximale) mesurée par les différents capteurs de pression permettent d’évaluer l’influence des paramètres variables durant le bétonnage (vitesse de cou-lée, densité d’armatures, type de mélange). La figure 26 présente les pressions mesurées dans l’ensemble des voiles à six hauteurs différentes à l’intérieur du coffrage. Le diagramme indique également la pression hydrostatique correspon-dant à chaque hauteur.
L’influence des divers paramètres est étudiée ci-après à la lumière du graphique de la fi-gure 26.
5.5.� Vitesse de coulée
La mise en place du béton s’est opérée à une cadence de 5 m/h pour les voiles M2, M3 et M6, et de 10 m/h pour les autres voiles. Lorsque le bétonnage s’opère à une vitesse de 5 m/h, la poussée prévue sur le coffrage est moins im-portante que si le béton monte de 10 m/h. Or, on constate à la figure 27 (p. 11) une pression plus élevée pour les voiles M2 et M6 que pour les autres voiles. Il se peut qu’au-delà d’une certaine valeur, la vitesse de coulée n’ait plus qu’une incidence infime sur la pression exercée sur le coffrage. Certains auteurs rapportent cependant des valeurs inférieures à 50 % de la pression hydrostatique lorsque la coulée pro-gresse très lentement (1,5 m/h ou moins).
5.5.2 Densité d’armatures
Les voiles M2, M4, M6, M8 et M9 renferment la quantité minimum d’armatures; les voiles M3, M5, M7 et M10 la quantité maximale.
Dans certains cas, les voiles faiblement armés ont donné lieu à des pressions élevées; dans d’autres, c’est l’inverse qui s’est produit (cf. figure 28, p. 11). On ne peut donc pas affirmer que la densité d’armatures ait une influence significative sur les pressions exercées sur les coffrages.
5.5.3 Type de mélange
Quatre types de béton ont été mis en œuvre :C1 pour les voiles M2 à M5C2 pour les voiles M6 et M7C3 pour les voiles M9 et M10un béton classique pour le voile M8.
En laboratoire, les mélanges de type BAC présentaient un comportement rhéologique très variable. Cette variabilité ne ressort pas toujours des mesures de pression, ni de la caractérisation du béton frais effectuée juste avant la mise en œuvre.
Il est dès lors apparu, lors des essais, que les caractéristiques (rhéologiques) recherchées, telles qu’obtenues lors de la mise au point des mélanges en laboratoire, ne sont pas toujours aisément reproductibles par la centrale à béton. De plus, les caractéristiques escomptées sont très sensibles au dosage des adjuvants.
Des agents de viscosité ont ainsi été incorpo-rés dans les mélanges destinés à la confection des voiles 9 et 10, dans le but d’accroître leur thixotropie. Dans le cas du voile 9, un surdo-
••••
Fig. 25 Configuration du coffrage.
H - 17,5H - 5017,550H - 117,5117,5H - 152,5152,5H - 217,5217,5H - 252,5252,5
Fig. 26 Pressions mesurées dans les voiles à six ��auteurs différentes à l’intérieur du coffrage.
H �s� �� p���ss���� hy����s������� c������s-p�������� �� ch���� h������� ����s �� c��-����g�, sy�b���s�� p��� ��s ��g���s p����������s.
l�s g�������s c��������s g���s v���� ���p���s�������� �� �yp� �� ������g�.
sage en superplastifiant a toutefois engendré une ségrégation ainsi qu’une augmentation de la pression dans le coffrage. Dans le cas du voile 10, l’adjuvantation s’est déroulée sans problème, mais semble avoir eu très peu de répercussions sur la poussée du béton. La carac-térisation d’un échantillon de BAC à l’aide du viscosimètre a révélé une thixotropie nettement inférieure à celle observée avec les mélanges d’essai préalables.
Cependant, le type de mélange semble être le principal paramètre responsable des écarts de pression observés. Ainsi, par exemple, la seule différence intrinsèque entre les voiles 4 et 9 ou les voiles 5 et 7 est le type de mélange; or, ils révèlent des pressions éminemment différentes.
La figure 29 (p. 11) montre à la fois l’effet néfaste d’un surdosage en superplastifiant (donc un BAC trop fluide) dans le voile 9 et une poussée relativement faible dans le coffrage du voile 7, par exemple (à peine quelques kN/m2 de plus qu’un béton classique). Dans le cas du voile 7, cette poussée relativement basse est particulièrement manifeste au droit du capteur inférieur.
Lorsqu’on fait en outre la corrélation avec les caractéristiques rhéologiques mesurées (ta-bleau 3, p. 7), on remarque que les pressions les plus faibles sont précisément celles qui sont exercées par les mélanges présentant la plus grande perte d’étalement. Seul le voile 6 fait exception à la règle.
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c1 c2 n c3
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page ��
PROJETS – ETUDES Ö
L’examen des diagrammes des figures 30 et 31 (p. 12) met également en évidence l’impact des adjuvants sur la baisse de pression dans les coffrages, notamment pour le voile 7 où la chute est brutale. Cette constatation est à mettre en relation avec la prise plus rapide du mélange concerné (690 minutes, contre 950 minutes en moyenne). Les pressions ‘résiduelles’ qui apparaissent dans les diagrammes entre 2000 et 5000 minutes sont dues au poids du béton partiellement durci.
Ces constatations donnent lieu à une première conclusion importante quant à l’influence du type de BAC : même si le recours aux adjuvants (pour obtenir un effet thixotrope) permettait d’agir favorablement sur la pression régnant à l’intérieur des coffrages, une telle opération exigerait une grande minutie dans la formula-tion des mélanges, lesquels se révéleraient du même coup très sensibles à la moindre distor-sion (comme un surdosage en superplastifiant, par exemple).
On peut affirmer globalement que c’est es-sentiellement le type de mélange qui exerce une influence notable sur la pression maxi-male dans le coffrage, la vitesse de coulée et la densité d’armatures ayant une action moins manifeste. Toutefois, il convient de ne pas surestimer l’impact du mélange : l’écart entre la pression maximale (voile 9) et la pression minimale (voile 7) ne dépasse pas les 15 %. De plus, pour tous les voiles réali-sés avec du béton autocompactant, on relève une poussée plus importante sur les coffrages que pour le voile en béton classique (S3). La poussée maximale représentait en effet entre 85 et 95 % de la pression hydrostatique, alors que, dans le voile de référence, en bé-ton classique, elle ne s’élevait qu’à 79 % de cette dernière.
5.6 perforManCesdubétondurCi
Les résultats d’essai relatifs à la prise du béton montrent des écarts importants dans la durée de prise des mélanges : de 7 heures pour les voiles M1 et M8, à plus de 20 heures pour les voiles M9 et M10, la durée moyenne de prise étant de 15,5 heures. Si l’on excepte les adjuvants, la formulation de base était cependant pratiquement identique pour tous les voiles en BAC.
Par rapport au voile 8 composé de béton classique, la durée de prise se révèle par-ticulièrement longue pour certains voiles, sans doute en raison de leur teneur élevée en superplastifiant. L’impact du superplastifiant et de son dosage sur la durée de prise est donc manifeste. Ainsi, par exemple, un net surdosage en superplastifiant dans le voile 9 a donné lieu non seulement à une importante ségrégation, mais également à un allongement considérable du temps de prise.
Fig. 27 Incidence de la vitesse de coulée sur la pression exercée sur le coffrage : comparaison entre les voiles M2M3M6 et M4M5M7 (résultats de quelques essais) (*).
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10 ��h
(*) A ������� ��� �� ����s��� ������������s �s� ������������A ������� ��� �� ����s��� ������������s �s� ������������ p���� ��s v����s m6 �� m7..
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Fig. 28 Incidence de la densité d’armatures sur la pression exercée sur le coffrage : comparaison entre les voiles M2M4M9M6 et M3M5M10M7 (résultats de quelques mesures) (*).
(*) A ������� ��� �� v���ss� �� c����� �s� ������������ p����A ������� ��� �� v���ss� �� c����� �s� ������������ p���� ��s v����s m6 �� m7.
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VoIle (-)2-3 4-5 9-10 6-7
5-7
Fig. 29 Incidence du type de mélange sur la pression exercée sur le coffrage : comparaison entre les voiles M4M9 et M5M7 (résultats de quelques essais).
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m�����g�C3 (m9)�C2 (m7)
VoIle (-)4-9
Pour chaque voile, deux séries de cubes ont été confectionnées en vue de la réalisation des essais de compression. La première série, conservée à pied d’œuvre afin de garantir des conditions de conservation identiques, a été utilisée notamment pour déterminer à quel moment procéder au décoffrage. La seconde série de cubes a été placée en chambre clima-
tique à une température de 20 ± 2 °C et une humidité relative > 95 %, conformément aux prescriptions de la norme relative aux essais de compression sur béton.
Après décoffrage, des cylindres de 70 mm de hauteur et de 79 mm de diamètre ont été prélevés à quatre hauteurs différentes (0,5 m -
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page �2
PROJETS – ETUDES Ö
1,5 m - 2,5 m - 3,5 m), afin de définir leur masse volumique et leur résistance en com-pression, mais aussi de détecter une éventuelle ségrégation. Les résultats de ces essais sont présentés au tableau 4 (p. 13).
Ce tableau fait apparaître que :les cubes placés en chambre climatique présentent systématiquement une résistance plus élevée en compression que les cubes conservés à pied d’oeuvre. Ceci est somme toute logique, si l’on considère les condi-
•
Fig. 31 Baisse de la pression sur le coffrage du voile 9 jusqu’à 5000 minutes après la mise en œuvre du béton.
Ha
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pressIon (����2)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fig. 30 Baisse de la pression sur le coffrage du voile 7 jusqu’à 5000 minutes après la mise en œuvre du béton.
Ha
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c�)
400
350
300
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pressIon (����2)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0200500100020005000
tions de conservation optimales des cubes en chambre climatique (20 ± 2 °C et > 95 % d’humidité relative)les cylindres prélevés à différentes hauteurs dans les murs possèdent une masse volumi-que assez similaire. Seul le voile 9 montre une ségrégation significative, avec une dif-férence de 115 kg/m³ entre les cylindres prélevés à 0,5 m et à 3,5 m du voile. Cette observation avait déjà été faite lors des es-sais de ségrégation sur béton frais.
•
6 cOncLUSIOnS ET REcOmmAn-DATIOnS
L’utilisation des bétons autocompactants (BAC) sur chantier suscite encore quelques questions au sein des entreprises. Celles-ci portent aussi bien sur les caractéristiques gé-nérales du matériau que sur des aspects plus spécifiques, tels que la réalisation des essais de contrôle sur le béton frais, les techniques de mise en œuvre, la poussée du béton sur les coffrages et les problèmes éventuels qui pourraient se poser dans le cas d’ouvrages en béton architectonique.
S’appuyant sur une vaste étude bibliogra-phique ainsi que sur les résultats d’une campagne d’essais menée au CSTC, le pré-sent article s’est attaché à examiner le pro-blème de la poussée exercée par le BAC sur les coffrages, à pointer ses différences par rapport au béton classique et à évaluer la nécessité de considérer ou non la pression hydrostatique.
La campagne d’essais visait à déterminer la poussée exercée par le béton à l’aide de différents capteurs et à évaluer l’incidence de certains paramètres de mise en œuvre, tels que la vitesse de coulée, la densité d’ar-matures et le type de mélange. Deux vitesses de coulée (5 et 10 m/h), deux densités d’ar-matures (minimum et maximum selon les prescriptions définies dans l’Eurocode 2) et quatre formulations de béton (trois types de BAC et un béton classique) ont été considé-rées à cet effet.
Cinq types de capteurs ont été sélectionnés et testés en vue de mettre au point un sys-tème de mesure qui permette de déterminer rapidement la poussée exercée par le béton, tout en limitant à un minimum les dégâts aux coffrages et aux surfaces des éléments en béton.
Deux types d’instruments se distinguent par leur facilité d’emploi :
tout d’abord les petits capteurs de pression (Ø 20 mm) dont la mise en place dans le coffrage s’opère très aisément et sans dégâts excessifs. Disposés en plusieurs endroits, ils permettent de se faire une idée précise de l’évolution des pressions à l’intérieur du coffrage, mais nécessitent toutefois le recours à une unité d’enre-gistrementles dynamomètres, qui peuvent être ins-tallés sur les entretoises. Ces instruments, faciles à manipuler, ne donnent cependant que des mesures indicatives, la conversion en termes de pression effective n’étant pas toujours simple. Avec l’aide du fournis-seur du coffrage, il est possible d’évaluer la charge maximale sur chaque entretoise afin d’éviter des ruptures ou des déforma-tions inadmissibles du coffrage. Il s’agit
•
•
���b��� �� �������s �p��ès ����p��ss�g� �� c������g� :
���b��� �� �������s �p��ès ����p��ss�g� �� c������g� :
0200500100020005000
Les Dossiers du CSTC – N° 3/2006 – Cahier n° 7 – page �3
PROJETS – ETUDES Ö
par conséquent d’un moyen intéressant pour évaluer rapidement les sollicitations qui s’exercent sur le coffrage.
L’influence des paramètres tels que la vi-tesse de coulée, la densité d’armatures et le type de mélange a été déterminée expé-rimentalement à l’aide de plusieurs essais en vraie grandeur. Les résultats relatifs aux différentes vitesses de coulée et aux densités d’armatures donnent cependant lieu à des interprétations divergentes :
des vitesses de coulée peu élevées (5 m/h au lieu de 10 m/h) ou des quantités d’ar-matures importantes (4 % au lieu de 1 %) n’apparaissent pas comme des facteurs déterminants pour la pression sur les cof-
•
Tableau 4 Résistance à la compression et masse volumique des cubes conservés sur le site d’essai, des cubes placés en c��ambre climatique et des cylindres (*).
Voile
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(*) Les cases grises mentionnent la résistance en compression à 28 jours (en N/mm²).Les cases grises mentionnent la résistance en compression à 28 jours (en N/mm²). Les cases colorées en vert clair fournissent la masse volumique (en kg/m (en kg/m3).
m2
59
2325
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fragesquant au type de mélange, son influence sur la poussée du béton est indéniable.
Un facteur non négligeable tient toutefois aux difficultés d’extrapolation des résultats de laboratoire en résultats à grande échelle. La répétitivité des valeurs de viscosité et de thixotropie obtenues en laboratoire s’est avérée délicate pour les fournitures de béton faites par la centrale.
La prudence est donc de rigueur lorsqu’on considère des phénomènes tels que la thixo-tropie : la moindre variation dans la formu-lation des bétons peut modifier sensiblement leurs propriétés rhéologiques. Les essais ont
•clairement fait apparaître l’influence consi-dérable d’un surdosage en superplastifiant sur la poussée que le béton exerce sur les coffrages (les valeurs les plus élevées ont été enregistrées) ainsi que sur la durée de prise (beaucoup plus longue).
D’une manière générale, il est dès lors recom-mandé de ne pas renoncer à prendre en compte la pression hydrostatique du béton, à moins que la vitesse de coulée soit particulièrement lente (< 1 m/h). Si le calcul de la pression hydrosta-tique nécessite des adaptations excessives du coffrage, on peut opter pour une mise en œuvre dans des conditions de pression contrôlées par un certain nombre de capteurs. n
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