Développement des bétons autoplaçants à faible teneur en poudre, Éco-BAP: formulation et performance

Abstract : Although concrete is a relatively green material, the astronomical volume of concrete produced worldwide annually places the concrete construction sector among the noticeable contributors to the global warming. The most polluting constituent of concrete is cement due to its production process which releases, on average, 0.83 kg CO[subscript 2] per kg of cement. Self-consolidating concrete (SCC), a type of concrete that can fill in the formwork without external vibration, is a technology that can offer a solution to the sustainability issues of concrete industry. However, all of the workability requirements of SCC originate from a higher powder content (compared to conventional concrete) which can increase both the cost of construction and the environmental impact of SCC for some applications. Ecological SCC, Eco-SCC, is a recent development combing the advantages of SCC and a significantly lower powder content. The maximum powder content of this concrete, intended for building and commercial construction, is limited to 315 kg/m[superscript 3]. Nevertheless, designing Eco-SCC can be challenging since a delicate balance between different ingredients of this concrete is required to secure a satisfactory mixture. In this Ph.D. program, the principal objective is to develop a systematic design method to produce Eco-SCC. Since the particle lattice effect (PLE) is a key parameter to design stable Eco-SCC mixtures and is not well understood, in the first phase of this research, this phenomenon is studied. The focus in this phase is on the effect of particle-size distribution (PSD) on the PLE and stability of model mixtures as well as SCC. In the second phase, the design protocol is developed, and the properties of obtained Eco-SCC mixtures in both fresh and hardened states are evaluated. Since the assessment of robustness is crucial for successful production of concrete on large-scale, in the final phase of this work, the robustness of one the best-performing mixtures of Phase II is examined. It was found that increasing the volume fraction of a stable size-class results in an increase in the stability of that class, which in turn contributes to a higher PLE of the granular skeleton and better stability of the system. It was shown that a continuous PSD in which the volume fraction of each size class is larger than the consecutive coarser class can increase the PLE. Using such PSD was shown to allow for a substantial increase in the fluidity of SCC mixture without compromising the segregation resistance. An index to predict the segregation potential of a suspension of particles in a yield stress fluid was proposed. In the second phase of the dissertation, a five-step design method for Eco-SCC was established. The design protocol started with the determination of powder and water contents followed by the optimization of sand and coarse aggregate volume fractions according to an ideal PSD model (Funk and Dinger). The powder composition was optimized in the third step to minimize the water demand while securing adequate performance in the hardened state. The superplasticizer (SP) content of the mixtures was determined in next step. The last step dealt with the assessment of the global warming potential of the formulated Eco-SCC mixtures. The optimized Eco-SCC mixtures met all the requirements of self-consolidation in the fresh state. The 28-day compressive strength of such mixtures complied with the target range of 25 to 35 MPa. In addition, the mixtures showed sufficient performance in terms of drying shrinkage, electrical resistivity, and frost durability for the intended applications. The eco-performance of the developed mixtures was satisfactory as well. It was demonstrated in the last phase that the robustness of Eco-SCC is generally good with regards to water content variations and coarse aggregate characteristics alterations. Special attention must be paid to the dosage of SP during batching.

Résumé : Même si le béton est un matériau relativement vert, le volume astronomique de béton produit à travers le monde chaque année met le secteur de la construction en béton parmi les contributeurs important au réchauffement climatique. Le constituant le plus polluant du béton est le ciment en raison de son processus de production qui dégage, en moyenne, 0,83 kg de CO[indice inférieur 2] par kg de ciment. Le béton autoplaçant (BAP), un type de béton qui peut remplir le coffrage sans vibration externe, est une technologie qui peut offrir une solution aux problèmes de développement durable de l'industrie du béton. Cependant, toutes les exigences de la maniabilité du BAP proviennent d'une teneur en poudre plus élevé (par rapport au béton conventionnel), ce qui peut augmenter le coût de la construction et de l'impact environnemental du BAP pour certaines applications. Le BAP écologique, Éco-BAP, est un développement récent combinant les avantages du BAP tout en ayant une teneur en poudre significativement plus faible. La teneur en poudre maximale de ce béton, destinée à la construction du bâtiment et aux applications commerciales, est limitée à 315 kg/m[indice supérieur 3]. Néanmoins, la conception de l’Éco-BAP peut être difficile, car un équilibre délicat entre les différents ingrédients de ce béton est nécessaire pour garantir un mélange satisfaisant. Dans ce programme de doctorat, l'objectif principal est de développer une méthode systématique pour la formulation de l’Éco-BAP. Puisque l'effet de groupe des particules (EGP) est un paramètre clé pour la conception des mélanges l’Éco-BAP stables, et que ce phénomène est peu connu, dans la première phase de cette recherche, l’EGP est étudié. Cette partie se concentre sur l'influence de la granulométrie sur l’EGP et la stabilité des mélanges de modèle ainsi que des BAPs. Dans la deuxième phase, le protocole de formulation est développé, et les propriétés des mélanges obtenus, à l’état frais ainsi que l’état durcis, sont évaluées. Étant donné que l'évaluation de la robustesse est cruciale pour la production du béton à grande échelle, dans la dernière phase de ce travail, la robustesse d'un des mélanges les plus performants de la Phase II est examinée. Basé sur les résultats obtenus, nous constatons que l'augmentation de la fraction volumique d'une classe mène à une meilleure stabilité de cette classe. Cela contribue également à une EGP supérieure du squelette granulaire et à une stabilité plus élevée du système. Il a été montré qu'une granulométrie continue dans lequel la fraction volumique de chaque classe est plus grande que la classe consécutive plus grossière peut augmenter l’EGP. En utilisant une telle granulométrie, la fluidité d’un mélange du BAP pourrait être augmentée sans compromettre la résistance à la ségrégation. Un indice de prédiction du potentiel de la ségrégation de particules suspendues dans un fluide à seuil a été proposé. Dans la deuxième phase de la thèse, une méthode de conception en cinq étapes pour l’Éco-BAP a été développée. Le protocole de formulation commence par la détermination des teneurs en poudre et de l'eau, suivie par l'optimisation des fractions volumiques du sable et des gros granulats selon un modèle idéal de granulométrie (Funk et Dinger). La composition de poudre est optimisée dans la troisième étape afin de minimiser la demande en eau tout en garantissant une performance adéquate à l'état durci. Le dosage du superplastifiant (SP) est déterminé dans l’étape suivante. La dernière étape s’agit d’évaluer le potentiel du réchauffement climatique des mélanges développés. Les mélanges de l’Éco-BAP optimisés répondent à toutes les exigences à l'état frais pour le BAP. La résistance à la compression à 28 jours de ces mélanges est dans la fourchette cible de 25 à 35 MPa. En outre, les mélanges montrent des performances suffisantes en termes de retrait de séchage, la résistivité électrique, et la résistance contre gel-dégel pour les applications visées. La performance écologique des Éco-BAPs produis a été satisfaisante. Il a été démontré dans la dernière phase que la robustesse de l'Éco-BAP est généralement bonne en ce qui concerne les variations de teneur en eau et les changements de propriétés des gros granulats. Une attention particulière doit être accordée au dosage du SP pendant le malaxage.