Étude des lances en béton projeté : effets sur les vitesses et la distribution des particules

Les pertes de matériaux par rebond représentent encore à ce jour le problème le plus important qui limite parfois l’utilisation du béton projeté. Bien que la compréhension des techniques de projection utilisées par les lanciers soit en constante progression et que de nombreux nouveaux mélanges soient développés régulièrement, l’état actuel des connaissances concernant les mécanismes de mise en place qui apparaissent au sein du jet de béton projeté est limité. Cette affirmation s’applique particulièrement entre les moments où les matériaux sont expulsés de la lance jusqu’à leur impact sur le substrat de béton frais. À l’heure actuelle, un modèle physique permet de calculer et de prédire le rebond d’une seule particule incidente en fonction de son énergie et de sa profondeur de pénétration à la paroi réceptrice. Par contre, les paramètres nécessaires à une telle prédiction ne sont pas facilement mesurables expérimentalement. De plus, ce modèle n’est évidemment pas représentatif de plusieurs facteurs réels qui agissent à l’échelle d’un jet de béton projeté et qui devraient être considérés, comme l’interaction entre les particules et leur angle d’incidence par rapport à la paroi réceptrice. D’un autre côté, des avancées importantes ont été réalisées récemment à l’échelle du jet complet, notamment au niveau de l’explication des phénomènes qui permettent l’accélération des particules, de la caractérisation des champs de vitesses, de la répartition des masses dans le jet et finalement, au niveau de la composition du matériau en fonction de la position dans le jet. Une meilleure compréhension de l’effet de l’équipement utilisé doit être explorée avec l’étude des facteurs favorisant la mise en place du matériau et la réduction du rebond. Cela pourrait être fait en améliorant les conditions d’impact des particules qui entrent en contact avec le substrat, en sélectionnant le meilleur équipement disponible. Ce projet de recherche aspire à poursuivre l’étude des phénomènes de mise en place du béton projeté en proposant une étude du procédé à l’échelle du jet qui se concentre sur l’effet de l’équipement utilisé lors de la projection. En premier lieu, il s’agit de déterminer les paramètres qui influencent le champ de vitesse produit par une lance en béton projeté par voie humide. La lance représente le dernier obstacle franchi par le matériau avant d’être expulsé vers la paroi réceptrice, donc cette pièce d’équipement joue un rôle important sur les conditions de mise en place. Il sera ensuite question de comparer les deux principaux procédés qui sont utilisés en béton projeté, la voie humide et la voie sèche, en poursuivant l’exploration de la distribution massique des particules dans le jet en voie sèche et en utilisant des données obtenues dans des études récentes pour le procédé par voie humide. Pour atteindre les objectifs du projet, ce sont cinq (5) lances différentes pour le procédé par voie humide et trois (3) lances pour le procédé par voie sèche qui font partie de l’étude. Le programme expérimental consiste à comparer les performances des lances étudiées selon des critères établis, basés sur la forme et l’amplitude du champ de vitesse. Les résultats montrent que plusieurs facteurs influencent la performance d’une lance; ils permettent d’établir un classement jugeant la performance des lances en utilisant des critères physiques comme la vitesse incidente des particules ainsi que leur distribution spatiale. La vitesse des particules incidente joue un rôle primordial sur leur énergie à l’impact sur le substrat de la paroi réceptrice. La distribution massique dans une section du jet produit par une lance contrôle le débit de mise en place du matériau en fonction du rayon perpendiculaire à l’axe de projection et représente une avenue intéressante à explorer pour améliorer ou adapter la technique de projection selon la lance utilisée.Material losses due to rebound represent the main issue of shotcrete and sometimes limit the process’ use and applicability. Even if the understanding of shooting techniques used in practical applications is being researched and in constant progress, and new shotcrete mixes are being developed regularly, the actual field of knowledge related to material placement mechanisms taking place during the impact of sprayed particles is limited, starting from the moment materials are expelled from the nozzle until particles impact on the fresh shotcrete substrate. For the time being, a physical model allows calculation of rebounding probability for a single incident particle based on its kinetic energy and its depth of penetration onto the receiving surface. However, parameters that are necessary to obtain such a prediction are not easily measured. In addition, this model is obviously not representative of the reality at the scale of a full shotcrete spray and does not take into account the interaction between particles and their angle of incidence with the receiving surface. On the other hand, significant progress was made recently with regards to describing the shotcrete process at the scale of the spray. Analysis methods were developed and explanations of phenomena allowing particles acceleration were refined and include characterization of velocity fields, distribution of material masses among the spray and, at last, material composition according to position in the spray. A better understanding of the equipment used during practical applications is clearly a path to be explored with the study of factors controlling placement of materials and reduction of rebound. This could be achieved by improving particles impact conditions with the substrate, which could be done by optimizing equipment selection and shooting parameters. This research project aims to deepen the study of shotcrete placement phenomena by researching equipment influence at the scale of the spray during a projection. The main objectives of this project are defined as follows. The first objective is to determine parameters influencing axial velocity fields that are obtained with various wet-mix nozzles. This piece of equipment plays an important role on placement conditions of sprayed particles. The next step will be to compare both shotcrete placement processes, wet-mix and dry-mix, by exploring materials mass distribution with three different dry-mix nozzles and comparing with wet-mix data previously obtained. To achieve the above objectives, five (5) different wet-mix nozzles and three (3) dry-mix nozzles are included in the present research project. The experimental program will allow a comparison of nozzle performances based on distribution and amplitude of axial velocity fields, since velocity is the main factor influencing kinetic energy of a single particle. Results show that several factors may influence a nozzle’s performance and justify the selection of particular nozzle parameters over others. The incident mass distribution at any section of the spray produced by a given nozzle controls the materials placement rate in regards to the shooting axis perpendicular distance and represents an interesting path to explore to better adapt shooting technique according to the nozzle that is used