Accueil du site > Présentation > Moyens (humains, financiers > LCPC - Moyens remarquables - Station d’étude du malaxage
Station d’étude du malaxage des matériaux de chaussées
Le malaxage des matériaux granulaires de génie civil conditionne la qualité des matériaux et donc celles des structures routières et d’ouvrages d’art ainsi que certaines réalisations du domaine de la géotechnique comme les sols traités. C’est pourquoi le LCPC s’est équipé d’une station d’étude du malaxage pour étudier des procédés de malaxage représentatifs des chantiers. Cette station permet d’accueillir, en fonction des études, différents types de malaxeurs industriels discontinus pour le malaxage à froid. Elle permet d’évaluer l’efficacité d’un procédé de malaxage vis-à-vis de la valeur moyenne et de l’homogénéité des propriétés d’usage du mélange. Différents paramètres peuvent être étudiés comme le type et la géométrie du malaxeur, le mode d’introduction des constituants, le temps de malaxage, le temps de séjour, le type de mélange, les systèmes de mesure et de contrôle dans le malaxeur, l’automatisation.
Unité responsable de l’exploitation :
Division Démarches durables en Génie civil -DDGC-
Secteur d’activité :
La station d’étude de malaxage concerne un ensemble de matériaux utilisés dans les secteurs d’activité suivants du LCPC :
- Ouvrages d’art
- Routes
- Géotechnique
Contact :
- Division Démarches durables en Génie civil (DDGC)
Un exemple d’application marquant :
Amélioration de la régularité du béton en production
(N.D. Lê, Thèse de doctorat de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 2007)
On confirme que la mesure de puissance de malaxage (« wattmètre ») est un outil précieux, permettant le contrôle du dosage en eau et/ou de l’ouvrabilité du béton en cours de fabrication. Dans l’usage courant d’une centrale BPE, le wattmètre est utilisé pour corriger le dosage en eau d’ajout. Toutefois, aucun protocole de calibrage efficace dans le contexte de la fabrication industrielle n’est connu jusqu’à présent. Au mieux, les utilisateurs règlent la « lecture » moyenne du wattmètre sur le résultat de la production de plusieurs semaines, suivant des procédures plus ou moins formalisées.
Dans un premier temps, une nouvelle procédure de calibrage en milieu industriel est proposée. Elle utilise une mesure de référence originale du dosage en eau dans la gâchée en cours d’une précision meilleure que 1 L/m3 (au sens d’un intervalle de confiance à 90 %). La méthode utilise la mesure de l’humidité des granulats sur des échantillons prélevés dans le malaxeur, à l’aide d’une trappe d’échantillonnage. C’est la méthode d’estimation la plus précise du dosage en eau, gâchée par gâchée, en milieu industriel, disponible à ce jour. Le protocole de calibrage industrialisable, testé sur une centrale BPE réelle, conduit à une précision de mesure du dosage en eau par le wattmètre de 4,5 L/m3. Dans les malaxeurs industriels, l’évolution de la puissance est également conditionnée par la variation de la température de l’huile contenue dans le moteur de réducteur. Une campagne expérimentale réalisée à la station d’étude du malaxage a permis de mettre en évidence des relations entre la puissance à vide et la mesure de la température de l’huile.
En centrale BPE, les mesures sur les gâchées déjà fabriquées permettent de corriger le dosage en eau d’ajout sur les gâchées de la toupie qui restent à fabriquer. Toutefois, les écarts d’eau constatés industriellement dépassent souvent les 10 L/m3. Les deux variantes de correction d’eau automatisables proposées dans ce travail peuvent théoriquement ramener la précision du dosage en eau à 6 L/m3 et 2,5 L/m3 respectivement. Ces précisions encouragent de futures applications.
Le traitement algorithmique des données de production et de la mesure dans le malaxeur permet également le calibrage en ligne des mesures d’hygrométrie de granulats. Parmi les deux techniques de résolution mises au point, l’une par régression multiple linéaire et l’autre par calcul des covariances, la dernière semble plus robuste, s’adaptant bien à la fabrication du béton prêt à l’emploi. Les fluctuations sur le long terme des humidités des gravillons et des déréglages de sondes à sable sont déterminées par une procédure de calibrage adaptif. Une combinaison avec la correction dans la toupie, diminuant les fluctuations à court terme, permettra une solution souple et complète pour le problème de régulation du dosage en eau.
L’écart de la consistance du béton est proportionnel à l’écart de l’humidité du béton dans les conditions industrielles de fabrication de type BPE, c’est-à-dire lorsque la variation du dosage en eau est prédominante par rapport à la variation, d’une gâchée à une autre, des autres constituants. On montre que cette proportionnalité est de plus indépendante de la formule de béton vibré d’une même centrale BPE, donc utilisant les mêmes granulats. L’affaissement peut alors être mesuré, dans le cas étudié, avec une précision de 3 cm. Ce résultat confirme et qualifie, en milieu industriel, le contrôle d’affaissement à la fabrication en utilisant le wattmètre pour des formules d’une même famille de bétons.
La puissance de malaxage d’un fluide non newtonien est conditionnée par les caractéristiques rhéologiques du matériau, la géométrie du mélangeur ainsi que la cinétique de l’agitateur, et, dans le malaxeur à béton, par le frottement du système mécanique du malaxeur et des pales contre la cuve, par l’intermédiaire des granulats. Selon ce modèle de puissance, il est possible, en variant la vitesse du malaxeur, de mettre en lumière les paramètres rhéologiques du béton dont le comportement est assimilable à un fluide de Bingham. Pour ce faire, le malaxeur doit être équipé d’un variateur de vitesse.
A l’échelle de laboratoire, la puissance consommée par un malaxeur peut être correctement prédite à partir des caractéristiques rhéologiques du matériau. A contrario, compte tenu de la fluctuation des termes de frottement et le faible volume de béton étudié l’ouvrabilité du béton est difficile à déduire à partir des mesures du wattmètre à différentes vitesses. En passant à une échelle plus grande, la campagne expérimentale réalisée à la station d’étude du malaxage a permis de déduire l’affaissement et le seuil de cisaillement, avec une bonne précision. On a ensuite vérifié que l’affaissement pouvait être prédit avec un écart type de 2,5 cm lors d’une étude de faisabilité sur une centrale BPE. On constate par ailleurs que deux paliers de vitesse semblent suffisants pour obtenir ces résultats. Par contre, il n’a pas été possible de déterminer correctement la viscosité plastique. En ce sens, nos travaux recoupent l’expérience internationale.
Autres exemples d’application :
- Amélioration de la régularité du béton en production (2004-2007)
Réf : N.D. Lê, Thèse de doctorat de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 2007
B. Cazacliu, N.D. Lê, F. de Larrard. New methods for accurate water dosage in concrete central mix plants,
Materials and Structures, RILEM, in press
- Evaluation des malaxeurs pour la fabrication des bétons à ultra-haute performance (2003-2006), Projet Eureka
- Malaxage des bétons à hautes performances et des bétons autoplaçants (1998-2001)
Réf : D. Chopin, Thèse de doctorat de l’Ecole centrale de Nantes et de l’Université de Nantes, 2001
D Chopin, B Cazacliu, F de Larrard, P Laplante, R Schell, Monitoring of Concrete homogenisation
with the power consumption curve, Materials and Structures, RILEM, in press avalable online.
D Chopin, F de Larrard, B Cazacliu, Why do HPC and SCC require a longer mixing time ?,
Cement and Concrete Research, n°34, p.2237-2243, dec 2004.
- Influence du temps de malaxage sur la résistance et la perméabilité de bétons auto-plaçants.
Etude menée dans le cadre du projet National B@P (2001).
- "Homogénéisation des bétons en centrale de fabrication discontinue :
influence du temps de malaxage et du mode d’introduction des additions minérales"
P.O. Vandanjon, F. de Larrard , B. Dehousse, G. Villain, R. Maillot et P. Laplante.
Réf. : Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, N° 208 de Septembre-Octobre 2000
- "Modélisation de l’écoulement des constituants dans un malaxeur industriel :
interprétation physique et capacités prédictives"
P.O. Vandanjon, M.-L. Gallenne et J. Terrière.
Réf. : Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, N° 208 de Septembre-Octobre 2000
Caractéristiques techniques :
La station ressemble à une centrale de béton classique. Elle possède un système de pesage à l’échelle industrielle pour chacun des composants (granulats, adjuvants, eau et ciment) ainsi qu’un malaxeur pour une fabrication en cycle discontinu. Toutefois, on peut noter quelques particularités :
Année de mise en service : 1981, avec réaménagement en 1987 et réhabilitation en 2003-2004.
Pour en savoir plus :
