Influence of polymers such as superplasticizers and air entraining agents on macroscopic viscosity of cimentitious materials

Depuis quelques années, le béton connait une période de mutation. Les tendances actuelles concernant la formulation des bétons à hautes performances et à faibles impacts environnementaux montrent que la fraction volumique solide est de plus en plus élevée. Cette augmentation de la fraction volumique solide est cependant difficilement compatible avec une fluidité importante. La thèse présentée ici a donc pour but de proposer des solutions permettant de contourner le problème de viscosité des ces nouveaux bétons. Nous nous attachons ainsi à identifier les mécanismes d'action de certains polymères à l'origine d'une diminution de la viscosité macroscopique de pâtes de ciment concentrées. Les polymères que nous étudions appartiennent à deux familles différentes : les super plastifiants et les agents entraîneurs d'air. Alors que le chapitre 1 a pour objectif d'expliquer le contexte actuel et de justifier l'intérêt des recherches menées durant cette thèse, le chapitre 2 présente les procédures expérimentales utilisées. Nous proposons des protocoles permettant de faire la distinction entre les effets des polymères étudiés sur la contrainte seuil et leurs effets sur l'autre paramètre du comportement :la viscosité. Dans le chapitre 3, nous mettons en évidence certains mécanismes d'action des polymères adsorbants de type super plastifiants. Nous observons que deux polymères peuvent avoir un effet différent sur la dissipation visqueuse d'une pâte de ciment pour une contrainte seuil donnée. Nous suggérons alors que les molécules de polymère adsorbé modifient l'état de floculation du système, et donc la façon dont le cisaillement se concentre entre les grains. Dans le même temps, les molécules de polymère non adsorbé modifient la viscosité du fluide interstitiel. La viscosité macroscopique résulte alors de la compétition entre ces deux mécanismes. Dans le chapitre 4, nous nous intéressons aux effets des agents entraîneurs d'air. Grâce à des mesures sur pâtes de ciment et mortiers, nous montrons que, suivant la consistance du système étudié, l'entraînement d'air peut diminuer ou non la viscosité. Nous suggérons qu'un tel comportement trouve son origine dans la compétition entre la tension de surface qui tend à empêcher la déformation des bulles et la consistance du système en écoulement qui tend à les déformeThe concrete industry has been undergoing significant change in recent years. Current trends in mix design of high strength and environmentally friendly concretes show that solid volume fraction is progressively increasing. This increase in solid volume fraction is however not compatible with an adequate fluidity. The aim of the work presented here is thus to bring solutions to the high viscosity of these new concretes. We try to identify potential mechanisms of action of some polymers at the origin of a decrease in the macroscopic viscosity of concentrated cement pastes. We focus here on two types of polymers: super plasticizers and air entraining agents. In a first chapter, we explain the current economic, social and industrial situation and justify the need of the research work presented here. In a second chapter, we show the importance of the experimental procedure. We suggest protocols from which the effects of tested polymers on the viscosity parameter can be distinguished from the effects on yield stress. In a third chapter, we show some potential mechanisms of action of adsorbing polymers as super plasticizers. We observe that for the same effect on yield stress, viscous dissipation of cement pastes can be different for the two tested polymers. We suggest that adsorbed polymer molecules modify the flocculation state of the system and thus the way shear concentrates between cement grains. In the same time, non adsorbed polymer molecules modify the viscosity of the interstitial fluid. Therefore, the macroscopic viscosity results from the competition of the two above phenomena. In the fourth chapter, we are interested in the effects of air entraining agents. Thanks to experimental measurements on cement pastes and mortars, we show that according to the system consistency, air entrainment can increase or decrease viscosity. We suggest that such a behaviour finds its origin in the competition between surface tension, which tends to prevent air bubble deformation and the system consistency, which tends to deform the same air bubble