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THÈSE DE DOCTORAT DE L'ECOLE NORMALE SUPÉRIEUREDE CACHAN

Présentée par

Monsieur Stéphane PATTOFATTO

pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'ECOLE NORMALE SUPÉRIEURE DE CACHAN

Domaine :

Mécanique - Génie Mécanique - Génie Civil

Sujet de la thèse :

COMPORTEMENT DYNAMIQUE DU

BÉTON FRAIS

APPLICATION AU PROCÉDÉ DE FABRICATION DES PARPAINGS Soutenue le 23 novembre 2004, à l'Ecole Normale Supérieure de Cachan, devant le jury composé de : J.-L. LATAILLADE Professeur Univ. ENSAM Bordeaux Président D. BORTZMEYER Ingénieur de recherche ATOFINA Rapporteur E. RAGNEAU Professeur Univ. INSA Rennes Rapporteur F. DE LARRARD Directeur de recherche LCPC Examinateur A. POITOU Professeur Univ. EC Nantes Directeur de thèse H. ZHAO Professeur Univ. Paris 6 Directeur de thèse A. LOUGE Ingénieur de recherche Membre invité

Laboratoire de Mécanique et Technologie

ENS Cachan/CNRS/Université Paris 6

61, avenue du Président Wilson, F-94235 CACHAN CEDEX

2

Remerciements

Je remercie mes deux directeurs de thèse, Arnaud Poitou et Han Zhao, qui m'ont accompagné de la meilleure des façons durant ces trois années de thèse. Ces conditions de travail exceptionnelles, je les dois aussi aux partenaires industriels de cette

thèse, représentés par Alain Louge, Claude Rebitzer, Yves Van de Caveye, Nicolas Chevrier et

Sylvain Leclerc.

Je remercie également Jean-Luc Lataillade qui m'a fait l'honneur de présider mon jury de thèse. Ainsi que les autres membres du jury, Denis Bortzmeyer et Eric Ragneau qui ont accepté d'être rapporteurs de la thèse, François de Larrard et AlainLouge. Enfin, je remercie toutes les personnes du LMT Cachan, qui font de ce laboratoire un lieu de travail hors du commun. Et en particulier les locataires de la mezzanine droite, de la mezzanine gauche, Anthony pour les pauses déjeuner, et Hellie pour lespauses café. 3

A Jean Aymé Michel.

4

Table des matières

Table des matières5

Partie 1 : Introduction7

1 De la fabrication industrielle des blocs aux matériaux granulaires 9

1.1 Présentation du produit : le bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 9

1.1.1 Fonctionnalités du bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 9

1.1.2 Spécifications géométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 10

1.2 Le procédé de mise en forme sur presse vibrante . . . . . . . . .. . . . . . . . . 10

1.2.1 Installation classique pour la production de blocs . .. . . . . . . . . . . 10

1.2.2 Technologie d'une presse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 11

1.2.3 Les différentes opérations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 14

1.3 Analyse technique du procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 15

1.3.1 Analyse du matériau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3.2 Analyse du produit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3.3 Analyse de la presse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.4 Efficacité de la vibration : état de l'art . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 25

1.4 Besoins industriels et problèmes scientifiques . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 28

1.4.1 De l'amélioration du procédé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 28

1.4.2 De l'enjeu scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29

Conclusion31

Partie 2 : Étude du compactage sous impacts33

2 Compactage sous impacts35

2.1 Conception d'un essai de compactage sous impacts . . . . . .. . . . . . . . . . 35

2.1.1 Similitudes avec l'essai Proctor et objectifs . . . . . .. . . . . . . . . . 35

2.1.2 Choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

2.1.3 Mesure et post-traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 37

2.2 Mise au point de l'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 41

2.2.1 Déroulement de l'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41

2.2.2 Répétabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.3 Validation de la mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42

2.2.4 Forme du signal calculé aux interfaces . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 44

3 Résultats de l'analyse expérimentale du compactage sous impacts 45

3.1 Propagation des ondes dans le béton frais . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 45

3.1.1 Vitesse des ondes dans le béton frais . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 45

3.1.2 Réflexion sur la propagation de l'onde de compression dans le béton frais 46

3.2 Courbes de densification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 47

3.2.1 Analyse des courbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3 Étude de l'impact initial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 49

5

3.3.1 Mécanismes du compactage durant l'impact initial . . .. . . . . . . . . 50

3.3.2 Mode de compactage avant la transition vitreuse . . . . .. . . . . . . . 51

3.3.3 Transition vitreuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52

3.4 Efficacité globale du compactage sous impacts . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 53

3.4.1 Forme du signal pour les impacts suivants . . . . . . . . . . .. . . . . . 54

3.4.2 Efficacité comparée entre essais dynamiques et quasi-statiques . . . . . . 56

Conclusion59

Partie 3 : Étude du compactage sous vibration61

4 Les essais63

4.1 Présentation du dispositif d'essais . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 63

4.1.1 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

4.1.2 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1.3 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.4 Définition des essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

4.2 Déroulement des essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 72

4.2.1 Protocole expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 72

4.2.2 Post-traitement des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 72

4.3 Présentation des résultats expérimentaux . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 75

4.3.1 Mesure brute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.3.2 Analyse spécifique de la dynamique des ondes . . . . . . . . .. . . . . 76

4.3.3 Analyse de la répétabilité des essais . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 77

4.3.4 Résultats des essais de compactage sous vibration . . .. . . . . . . . . . 78

4.3.5 Résultats des essais de compactage quasi-statique . .. . . . . . . . . . . 79

4.3.6 Résultats des essais de compactage quasi-statique cyclique . . . . . . . . 81

4.3.7 Résultats des essais de relaxations multiples . . . . . .. . . . . . . . . . 82

4.3.8 Résultats des essais de fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 84

5 Analyse du comportement du béton frais sous vibration 89

5.1 Vibration et frottement aux parois . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 89

5.1.1 Analyse du frottement global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 89

5.1.2 Analyse du frottement local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 90

5.1.3 Interprétation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 91

5.1.4 Influence du frottement sur l'échantillon . . . . . . . . . .. . . . . . . . 93

5.2 Rôle de la vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 94

5.2.1 Efficacité de la vibration durant l'écrasement . . . . . .. . . . . . . . . 95

5.2.2 Influence de la vitesse de compactage . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 95

5.3 Vibration : efficacité de la décharge . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 97

5.3.1 Effet des décharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

5.3.2 Modélisation de l'influence de la décharge . . . . . . . . . .. . . . . . 100

5.3.3 Bilan et limites de la modélisation . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 106

Conclusion109

Partie 4 : Conclusion générale et perspectives111

6 Conclusion générale113

6.1 Retour au procédé de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 113

6.2 Bilan de l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113

6

7 Perspectives autour de la modélisation115

7.1 Définition du problème initial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 115

7.2 Définition du problème simplifié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 116

7.2.1 Notion d'homogénéisation en temps . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 116

7.2.2 Écriture du problème simplifié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 118

7.3 Perspectives de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 118

7.3.1 Résultats d'identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 118

7.3.2 Vers un modèle pertinent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120

Annexes123

A Structure de l'empilement granulaire125

A.1 Définition d'un matériau granulaire . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 125 A.2 Chaînes de force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 A.3 Séparation des échelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 125 A.4 Orientation des contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 126 A.5 Influence des conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 127 B Matériaux granulaires soumis à un compactage quasi-statique 129 B.1 Densité de consolidation / transition vitreuse . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 129 B.2 Écrouissage et mobilité des grains . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 130 B.3 Dilatance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 B.4 Anisotropie induite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 131

C Matériaux granulaires et vibration135

C.1 Résultats expérimentaux sur milieux granulaires modèles vibrés . . . . . . . . . 135 C.2 Influence de la vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 136 D Éléments de modélisation des matériaux granulaires vibrés 139 D.1 Modèles phénoménologiques : volume libre . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 139 D.2 Modèles microscopiques : Tétris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 140 D.3 Modèles thermodynamiques : notion de température granulaire . . . . . . . . . . 141

E L'essai Proctor143

F Résultats de l'essai SHPB classique sur du béton frais 145 F.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 145 F.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 F.3 Conclusion sur l'essai SHPB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 146

G Correction de la vitesse initiale149

H Résultats complémentaires de l'essai de compactage sous impacts 153 H.1 Effet du frottement aux parois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 153 H.2 Rebonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 I Analyse expérimentale des essais de fluage sous vibration 155 I.1 L'essai de fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 155 I.2 Résultats des essais de fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 155 I.3 Essais de fluage cyclique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 157 J Résultats du compactage sous vibration seule159 J.1 Origine de la vibration seule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 159 J.2 Compactage sous vibration seule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 159 7

Table des matières

K Analyse du module d'élasticité du béton frais163 K.1 Analyse de l'élasticité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 163

K.2 Effet de l'élasticité sur la courbe mesurée . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 165

L Technique d'homogénéisation en temps167

M L'essai aux barres de Hopkinson169

M.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 M.2 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 M.3 Description de l'essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 169 N Analyse de la mesure des essais aux barres de Hopkinson 173 N.1 Propagation d'une onde élastique unidimensionnelle . .. . . . . . . . . . . . . 173 N.2 Précision des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 174 N.3 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 N.4 Analyse du comportement du matériau . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 176

O Méthodes de transport des ondes179

O.1 Décomposition dans le domaine temporel . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 180 O.2 Décomposition dans le domaine fréquentiel . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 180 8

Partie 1 : Introduction

9

Partie 1 : Introduction

10

Chapitre 1De la fabrication industrielle des blocsaux matériaux granulaires1.1 Présentation du produit : le bloc

Le support de cette étude est le bloc, communément appelé "parpaing" ou "aggloméré". Cette sec-

tion est une brève présentation du produit. Les blocs en béton représentent la part la plus importante de

l'industrie du béton, soit environ 24 % de la production de produits en béton pour la construction (source

UNICEM 2001).

1.1.1 Fonctionnalités du bloc

Le bloc, ou parpaing, est un produit utilisé dans la fabrication de structures légères de génie civil.

La photo 1.1 montre un type de produit, qui se présente comme un bloc de béton alvéolé. L'empilement

de plusieurs blocs, fixés entre eux par du mortier, permet la construction de structures, comme la maison

présentée sur la photo 1.2.

Figure 1.1 - Photo d'un type parpaing

h

Figure 1.2 - Une application courante des

blocs : la construction de murs

Les caractéristiques du bloc sont issues d'un compromis entre les exigences fonctionnelles (légèreté,

aspect, capacité à être enduit, tenue mécanique, etc.) et économiques (un bloc coûte environ 1 euro dans le

commerce). D'un point de vue de la résistance mécanique, lesblocs creux doivent présenter une résistance

à la compression entre 4 et 8 MPA selon le type. Le cycle de vie d'un produit bloc en béton est le suivant :

Production des matières premières :constitution à partir de 87 % de granulats (gravillons et sables na-

turels), de 7 % de ciment (mélange de calcaire et d'argile cuit et broyé), et de 6 % d'eau. La qualité

du produit dépend donc directement de la qualité des matières premières, et donc généralement de la

situation géographique de l'usine de production. Fabrication du produit :compactage du bloc et durcissement naturel en étuve.quotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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