Experimental investigation and numerical simulation of the behavior of air bubbles in fluid concretes

Les bétons autoplaçant (BAP) constituent une nouvelle gamme de bétons de haute performance développés pour faciliter la mise en place et améliorer la durabilité des structures en béton. Ces bétons se caractérisent principalement par leur grande fluidité où leur mise en place ne nécessite aucune vibration. Les mécanismes de détérioration affectant la durabilité des ouvrages en béton sont fonctions de plusieurs paramètres, notamment ceux en lien avec la stabilité du réseau de bulles d’air (RBA) et sa répartition dans la matrice. Cette dernière, compte parmi les caractéristiques les plus essentielles, du fait qu’une distance adéquate entre les bulles d’air, permet d’immuniser le béton contre les phénomènes de détérioration. Étant donné leur grande fluidité, la stabilité du réseau d’air dans les BAP représente un défi majeur à réaliser. En effet, cette fluidité favorise le libre déplacement des bulles d’air accentuant, par le fait même, leurs coalescence et échappement. Cela tend à mettre en péril la capacité de leur suspension dans la matrice et, par conséquent, leur pérennité dans le temps. Le comportement imprévisible des bulles d’air à l’intérieur de la matrice cimentaire et leurs interactions avec le milieu fluide environnant sont essentiellement influencés par la rhéologie de la phase suspendante et les méthodes de mise en place. Ce comportement doit être approfondi et compris. Actuellement, l’utilisation d’agents entraineurs d’air (AEA) est une pratique très répondue dans l’industrie du béton pour préserver la durabilité de ces bétons. Les AEA sont des adjuvants tensioactifs qui permettent de stabiliser les bulles d’air formées pendant le malaxage. En effet, l’action des AEA permet d’abaisser la tension superficielle de l’eau de gâchage, ce qui favorise la formation des bulles d’air de différentes dimensions à l’intérieur du béton. Ainsi, les bulles stabilisées dans le béton permettent de le protéger contre les phénomènes de dégradation causées par les cycles de gel-dégel, écaillage, etc. L’air entraîné est constitué de réseau de petites bulles d’air microscopiques qui jouent le rôle de chambres d’expansion servant à contrer l’action expansive du gel à l’intérieur du béton. L’efficacité d’un AEA est conditionnée principalement par sa capacité à stabiliser les bulles d’air formées et uniformiser leur répartition à l’intérieur de la matrice cimentaire (facteur d’espacement). Ces caractéristiques sont influencées par plusieurs facteurs, notamment les constituants (liant, adjuvants, granulats, etc.), la rhéologie (viscosité) ainsi que plusieurs autres paramètres externes, tels que le transport, le pompage, etc. À cet effet, l’entrainement de l’air dans le béton est considéré comme étant un processus complexe et délicat qui nécessite un contrôle rigoureux et continu durant toutes les phases de construction d’un ouvrage en béton. Néanmoins, plusieurs problèmes ont été perçus sur la constance des différentes caractéristiques du réseau d’air des BAP et tendent à causer l’instabilité du RBA. Ces difficultés peuvent survenir à n’importe quelle étape de production, que ce soit durant la formulation, transport et/ou la mise en place. Afin de comprendre ce phénomène et son influence sur les caractéristiques du RBA dans les BAP, il est important d’étudier l’effet de plusieurs facteurs sur le comportement des bulles d’air (teneur en air, facteur d’espacement, surface spécifique et fraction efficace des bulles d’air) et les dommages occasionnés par ces facteurs d’influence. La présente étude a pour objectif principal d’étudier la stabilité du RBA dans les bétons fluides. Ceci contribuera à mieux contrôler les paramètres de formulation afin de produire un béton ayant un RBA adéquat dès sa formulation, et ce, jusqu’à sa mise en place, sans que les propriétés d’air ne soient affectées. Ainsi, la compréhension du comportement des bulles d’air à l’intérieur du béton frais et l’aptitude de ce dernier à les garder en suspension continuelle, influencées par la rhéologie et la présence des adjuvants et des constituants, comptent parmi les paramètres les plus névralgiques pour ce type de béton. Cette recherche exhaustive vise essentiellement à évaluer expérimentalement l’influence de différents paramètres, dont la rhéologie (faible a élevée), les adjuvants (plusieurs combinaisons de SP-AEA-VMA), les modes de cisaillement (statique, semi-statique et dynamique), le squelette granulaire (compacité et ϕmax), ratio pâte/sable, teneur en alcalis et le facteur temps, sur la stabilité du réseau de bulles d’air et sur ses différentes caractéristiques (facteur d’espacement, surface spécifique et faction efficace des bulles d’air). Plusieurs méthodes de mesures (ASTM C213, SAM, AVA-3000, ASTM C457-A, B et C, ASTM C185, EN-413) sont également utilisées et discutées. Ces analyses expérimentales sont soutenues par des simulations numériques sur le code de calcul FLOW3D afin d’analyser la performance d’écoulement et la stabilité du RBA dans différentes situations.Abstract: SCCs are a new class of high-performance concretes developed to facilitate casting and improve the durability of concrete structures. These concretes are characterized by higher fluidity compared to conventional concrete. The deterioration mechanisms affecting durability of concrete structures are function of several parameters, including those related to stability of the air-void system (AVS) and its distribution in the hydrated cement matrix. This stability of AVS is one of the most essential characteristics affecting the distance between the air bubbles necessary to improve frost durability of concrete. In addition, the stability of the AVS in SCC is challenging because its high fluidity promotes the free displacement of air bubbles, hence promoting their coalescence and escape. The unpredictable behavior of air bubbles inside the hydrated cement matrix and their interactions with the surrounding fluid are mainly influenced by the rheology of the suspending phase and the casting method The use of air entrainment agents (AEA) is a common practice in the concrete industry to improve frost durability. AEAs are a special chemical surfactant admixture that stabilize air bubbles formed during mixing. Indeed, the AEA reduce the surface tension of the mixing water, hence facilitate the incorporation of different dimensions of air-bubbles inside the concrete. The entrained air-bubbles are small microscopic air bubbles that act as expansion chambers to counteract the expansive action due to freeze-thawing cycles, scaling, etc. The efficiency of AEA is mainly evaluated by its ability to stabilize the formed air bubbles and ensure their uniform distribution within the hydrated cement matrix (spacing factor). These characteristics are influenced by several factors, including binder type, admixtures, aggregates, rheology (viscosity) and several other external parameters, such as transport, pumping, etc. This makes the entrainment process in concrete one of the most complex and delicate process, which requires rigorous and continuous control during all phases of concrete processing. Nevertheless, several problems were observed on different characteristics of AVS in SCC. These difficulties cause instability of the AVS and can occur at any stage of production transport, and/or placement. This research aims to experimentally investigate the effect of various mixture parameters and shear regime on the characteristics (air content, spacing factor, surface area and effective fraction of air bubbles) of AVS in SCC. This will contribute in better controlling the influencing factor to produce SCC mixtures with adequate AVS to secure good durability. The rheology, the presence of adjuvants, and constituents are among the most important parameters affecting the AVS in concrete. The understanding of behavior of air-bubbles in fresh hydrated cement matrix help to keep them in continuous suspension. The influence of various parameters, including rheology (low to high viscosity), admixtures (different combinations of HRWR-AEA-VMA, shear modes (static, semi-static, and dynamic), the granular skeleton (packing density and maximum size of aggregate, ϕmax), paste/sand ratio, binder alkali content, and age on the stability of AVS and its characteristics (spacing factor, specific surface, and effective fraction of air bubbles) is evaluated. These experimental analyzes are supported by numerical simulations with FLOW3D code in order to analyze the flow performance and stability of the AVS in different situations. In addition, several test methods (ASTM C213, SAM, AVA-3000, ASTM C457-A, B and C, ASTM C185, EN-413) are also used and discussed