Présentation : un client spécialisé dans les éléments préfabriqués en UHPC était confronté depuis longtemps à des problèmes d’instabilité de la résistance dus aux fluctuations des matières premières lors de la fabrication d’éléments de ponts et d’éléments préfabriqués en UHPC.Grâce à l’introduction de la microsilice MSILI UH-94, associée à une formulation adaptée et à l’optimisation du processus de malaxage, le client a amélioré l’homogénéité et la densité du coulis d’UHPC, réduisant ainsi le risque de fluctuations de la résistance à la compression à 7 et 28 jours. Cela a permis aux produits d’atteindre plus facilement et de manière stable les exigences de résistance prévues dans la conception technique, offrant ainsi une solution plus fiable en matière de matières premières pour la production en série d’UHPC.
Contexte de production et origine des écarts
Un client spécialisé dans les éléments préfabriqués en UHPC produit principalement des éléments de ponts et des éléments préfabriqués en UHPC. Ce client, qui travaille depuis longtemps sur des projets d’ingénierie, a des exigences élevées en matière de résistance à la compression, de fluidité, de densité et de stabilité inter-lots de ses produits.
Au cours des premières phases de production, la formulation d’UHPC du client offrait déjà une base de résistance élevée, mais la stabilité de la résistance restait insatisfaisante tout au long des essais de formulation successifs et de la production en série. Avec une même formulation, un même rapport eau/ciment et un même régime de cure, la résistance à la compression des éprouvettes de différents lots présentait des fluctuations ; certains lots affichaient un développement de résistance précoce trop lent, et la résistance à 28 jours peinait à se maintenir de manière stable dans la fourchette visée.
Après analyse, le client a constaté que le problème ne se limitait pas à la compatibilité du ciment, du sable de quartz ou des superplastifiants : la stabilité, le niveau d’activité, l’état de dispersion et l’adéquation de la granulométrie de la poudre de microsilice devenaient des variables clés affectant la stabilité de la résistance de l’UHPC.
L’UHPC est un système caractérisé par un faible rapport eau/ciment, une forte teneur en poudre et une densité élevée. Des études publiées indiquent que la poudre de silice est un composant clé de l’UHPFRC/UHPC, influençant des propriétés essentielles telles que la microstructure, la réaction d’hydratation, la capacité d’autocompactage, la résistance à la compression, la résistance à la flexion et à la traction, ainsi que la durabilité. Par conséquent, pour les clients utilisant l’UHPC, la poudre de silice n’est pas un simple matériau de remplissage, mais un composant fonctionnel essentiel qui détermine la stabilité de la résistance et la densité du système.
Quatre freins à la régularité des lots
Le système UHPC initial du client présentait principalement les problèmes suivants :
1. Les variations entre les lots de matières premières affectent la stabilité de la résistance
La microsilice ordinaire utilisée auparavant par le client présentait certaines variations d’un lot à l’autre, se traduisant par un manque de stabilité au niveau de la teneur en SiO₂, de l’activité, de la finesse, de l’état d’agglomération et de la dispersion. Pour un béton ordinaire, ce type de variation peut avoir un impact limité ; cependant, dans un système UHPC, en raison du faible rapport eau/ciment, de la forte dose de poudre et des exigences strictes en matière d’empilement des particules, les variations de la microsilice sont nettement amplifiées, ce qui se répercute finalement sur la résistance à la compression et l’état de la pâte.
2. Manque de stabilité de la résistance initiale et de la résistance à 28 jours
Dans certains lots, les éprouvettes du client présentent une progression de la résistance précoce relativement lente, ainsi qu’une dispersion de la résistance à la compression à 28 jours. Bien qu’un essai isolé puisse atteindre une résistance élevée, le client s’intéresse davantage à la capacité à atteindre de manière stable les normes requises dans le cadre d’une production à l’échelle industrielle qu’à la valeur maximale obtenue lors d’un essai ponctuel.
3. L’homogénéité insuffisante du mélange affecte la densité interne
La stabilité de la résistance de l’UHPC repose sur une répartition homogène des particules au sein du mélange, une structure poreuse fine et une zone de transition interfaçale dense. Si les agglomérats de microsilice ne peuvent pas se disperser efficacement dans le système, cela affaiblit l’effet de micro-remplissage et la réaction pouzzolanique, ce qui entraîne une augmentation des zones de faiblesse locales et affecte ainsi la stabilité de la résistance.
4. Ajustements répétés de la formulation et faible efficacité des essais de mélange
En raison du manque de stabilité des matières premières, les clients doivent fréquemment ajuster la dose de superplastifiant, le rapport eau/ciment, la durée de malaxage et la proportion de poudres, ce qui allonge le cycle d’essais et augmente les coûts de validation technique. Pour les clients du secteur des éléments préfabriqués en UHPC, ce type d’instabilité affecte directement le rythme de livraison des produits.
Pourquoi UH-94 et comment les essais ont été conçus
Pour répondre au principal problème soulevé par le client, à savoir « une résistance élevée mais un manque de stabilité d’un lot à l’autre », nous lui avons recommandé de remplacer la microsilice ordinaire utilisée jusqu’alors par la microsilice semi-compactée UH-94, qui constitue le matériau siliceux actif essentiel du système UHPC.
1. Pourquoi choisir la microsilice UH-94 ?
Les exigences du système UHPC en matière de microsilice ne se limitent pas à une « finesse » de la poudre, mais incluent également une teneur élevée en SiO₂, une faible teneur en impuretés, une activité stable et une bonne capacité de remplissage des vides. L’un de nos clients très spécialisés dans ce domaine utilise justement le produit MSILI UH-94. Grâce à un matériau siliceux actif plus stable, ce produit offre au système UHPC une base plus contrôlable pour le micro-remplissage et la réaction pouzzolanique.
2. Pourquoi choisir la version semi-agglomérée ?
Les clients ne recherchent pas seulement une « haute activité », mais aussi une meilleure capacité de dispersion stable de la microsilice dans les systèmes UHPC. Des études publiques indiquent que les agglomérats formés par la microsilice compacte peuvent être redispersés en optimisant la méthode de malaxage ; l’efficacité de cette dispersion dépend des adjuvants, de la composition du mélange et du rapport eau/ciment. Dans des conditions caractérisées par une forte teneur en poudre, un faible rapport eau/ciment, des superplastifiants hautement efficaces et un malaxage à haut cisaillement, les agglomérats de microsilice peuvent être efficacement désagrégés.
L’avantage de la microsilice MSILI UH-94 réside dans le fait qu’elle se désagrège plus facilement dans les systèmes UHPC que la microsilice entièrement agglomérée, tout en garantissant une meilleure stabilité d’un lot à l’autre que la microsilice ordinaire de type « non agglomérée ». Compte tenu des problèmes actuels du client, le choix d’une microsilice semi-agglomérée ne vise pas simplement à « faciliter l’utilisation », mais à trouver un équilibre entre l’activité, la dispersion et la stabilité.
3. Idée centrale de la solution
Cette solution ne consiste pas simplement à remplacer une matière première, mais à procéder à une optimisation systématique axée sur la stabilité de la résistance de l’UHPC :
- premièrement, remplacer la microsilice ordinaire, dont les performances variaient considérablement, par la microsilice MSILI UH-94
- deuxièmement, maintenir la teneur en microsilice dans une fourchette raisonnable, en se référant à la fourchette couramment utilisée pour l’UHPC, soit 15 à 25 % par rapport à la masse de ciment
- troisièmement, optimiser l’ordre des opérations de malaxage à sec et à humide afin d’améliorer l’efficacité de la dispersion de la microsilice dans le système
- quatrièmement, évaluer la stabilité de la formulation en fonction de la fluidité, de la résistance à 7 jours, de la résistance à 28 jours et de la dispersion des valeurs de résistance
- cinquièmement, ajuster finement l’agent réducteur d’eau et le programme de malaxage en fonction des résultats des essais, plutôt que de modifier à plusieurs reprises et de manière significative la formulation de base.
Formulation, malaxage et résultats des essais
1. Conception de la formulation de référence
Le client utilise actuellement un système composé de ciment, de microsilice, de poudre de quartz, de sable de quartz, d’eau, d’un superplastifiant polycarboxylique et de fibres d’acier, avec une résistance requise supérieure à 120 MPa.Les proportions recommandées sont les suivantes : 1 part de ciment, 0,25 part de microsilice, 0,35 part de poudre de quartz, 1,10 part de sable de quartz, 0,25 part d’eau, 0,0012 part de superplastifiant et 2 % en volume de fibres d’acier.
| Matières premières | Proportions de référence |
|---|---|
| Ciment | 1 |
| UH-94 (poussière de silice) | 0,25 |
| Poudre de quartz | 0,35 |
| Sable de quartz | 1,10 |
| Eau | 0,25 |
| Réducteur d'eau polycarboxylique | 0,0012 |
| Fibres d'acier | 2 % en volume |
Le principe fondamental de cette formulation ne réside pas simplement dans l’augmentation de la teneur en silice, mais dans l’optimisation de la granulométrie entre la microsilice, le ciment, la poudre de quartz et le sable de quartz, afin d’améliorer la densité de la pâte d’UHPC et de réduire le risque de variations de résistance.
2. Optimisation du procédé de malaxage
La méthode de préparation de l’UHPC est la suivante : on commence par mélanger à sec à faible vitesse la poudre de silice et le sable de quartz pendant 5 minutes, en tirant parti des collisions entre les particules dures pour briser les agglomérats de poudre de silice ; on ajoute ensuite le ciment et la poudre de quartz et on poursuit le mélange à sec pendant 5 minutes ; enfin, on ajoute l’eau et l’adjuvant de réduction d’eau polycarboxylique, ce qui permet au système de passer progressivement d’un état aggloméré à un état dispersé en suspension ; les fibres d’acier sont ajoutées une fois le coulis formé, puis le tout est malaxé à grande vitesse pendant 2 minutes.
Lors des essais, le client s’est inspiré de cette approche en mettant l’accent sur deux étapes clés : « la désagrégation des agglomérats de microsilice » et « la formation d’une pâte homogène », plutôt que d’augmenter aveuglément la quantité d’adjuvant réducteur d’eau. Cela permet de réduire les variations de résistance dues à une dispersion insuffisante localisée.
3. Références concernant les résultats de fluidité
D’après les rapports d’essai, les indices d’étalement de l’UHPFRC sont respectivement de 260 mm, 260 mm et 265 mm ; ces valeurs correspondent à un UHPC visqueux doté de propriétés d’autocompactage, ce qui satisfait aux exigences. Après avoir testé la microsilice MSILI UH-94, le client a constaté que l’état de la pâte était plus homogène et que la fluidité était plus facile à maintenir dans une plage stable, ce qui a permis d’assurer la stabilité de la résistance par la suite.
4. Résultats de résistance
Dans des conditions de séchage à température ambiante, la résistance à la compression à 7 jours est de 108,07 MPa et celle à 28 jours de 139,21 MPa.
Pour le client, l’intérêt de l’utilisation de la microsilice MSILI UH-94 ne réside pas seulement dans la recherche d’une résistance maximale ponctuelle, mais aussi dans le fait qu’elle permet à la formulation d’atteindre de manière plus stable la plage de résistance visée.
5. Résumé des résultats des essais du client
Au cours des essais de formulation menés par le client, l’utilisation de la microsilice MSILI UH-94 a permis d’observer les améliorations suivantes dans le système UHPC :
- Premièrement, l’homogénéité de la pâte s’est améliorée et la dispersion de la poudre est devenue plus stable
- deuxièmement, les fluctuations de l’indice d’étalement ont diminué, ce qui facilite le contrôle de l’état du mélange ; troisièmement,
- le développement de la résistance à 7 jours est plus stable, et le nombre de lots présentant une résistance initiale trop faible a diminué
- quatrièmement, la dispersion de la résistance à la compression à 28 jours a diminué, ce qui permet d’atteindre plus facilement et de manière plus stable la plage cible
- cinquièmement, la fréquence des ajustements de formulation a diminué, et le client n’a plus besoin de compenser fréquemment les variations des matières premières en modifiant le rapport eau/ciment ou la quantité d’adjuvants.
Transfert en production et retour technique
1. Contenu de la livraison
La livraison dans le cadre de ce projet ne se limite pas à la simple fourniture de microsilice MSILI UH-94, mais consiste à fournir des recommandations complètes en matière de sélection de produits axées sur la stabilité de la résistance de l’UHPC, notamment :
- des recommandations sur les indicateurs de qualité de la microsilice
- des recommandations sur les dosages de référence pour l’UHPC ; des recommandations sur
- l’appariement granulométrique de la poudre de quartz et du sable de quartz ; des recommandations
- sur l’ordre de mélange à sec et à humide ; des recommandations sur
- l’adaptation des superplastifiants
- des recommandations sur la vérification des résistances à 7 et 28 jours ; des recommandations sur le
- suivi de la stabilité des lots.
2. Conclusions de l’analyse rétrospective
L’analyse rétrospective a permis de constater que le problème initial du client ne résidait pas dans l’« incapacité de la formulation de l’UHPC à atteindre une résistance élevée », mais dans le « manque de stabilité de la résistance dû aux variations des matières premières clés ».
Dans le système UHPC, la microsilice remplit trois rôles :
- Premièrement, en tant que charge ultrafine, elle comble les microporosités entre les particules de ciment et la poudre de quartz
- deuxièmement, en tant que matériau siliceux actif, elle participe à la réaction volcanique et favorise la formation du gel C-S-H ; troisièmement,
- en tant qu’élément du système de granulométrie, elle influence la rhéologie de la pâte, sa densité et la structure de ses interfaces.
Lorsque la stabilité d’un lot de microsilice est insuffisante, ces trois fonctions s’en trouvent affectées. Après avoir remplacé la microsilice MSILI UH-94, le système UHPC du client a bénéficié d’une base active plus stable et d’un état de dispersion plus contrôlable, ce qui a permis de réduire le risque de fluctuations de résistance.
3. Intérêt de l’étude de cas
Ce cas illustre que, lors du choix d’une microsilice, les clients du secteur de l’UHPC ne doivent pas se limiter au prix ni se focaliser uniquement sur la teneur en SiO₂. Ce sont les performances globales de la microsilice qui influencent réellement la stabilité de la production, notamment son activité, sa finesse, son état d’agglomération, sa capacité de dispersion, la cohérence d’un lot ainsi que son compatibilité avec le ciment, la poudre de quartz, le sable de quartz et le système de superplastifiants.
La valeur de la microsilice MSILI UH-94 réside dans le fait qu’elle aide les clients à faire passer l’UHPC d’un stade où « des performances élevées sont atteintes en laboratoire » à un stade où « la production en chantier est stable ».
Enseignements de cette étude UHPC
Pour les clients utilisant l’UHPC, l’instabilité de la résistance n’est généralement pas due à un seul paramètre, mais résulte de l’interaction entre les matières premières, la granulométrie, la dispersion, le malaxage et le cure. Parmi ces éléments, la microsilice, en tant qu’adjuvant minéral actif central du système UHPC, exerce une influence déterminante sur la stabilité de la résistance.
Dans le cas présent, grâce à l’introduction de la microsilice MSILI UH-94, le client a résolu le problème d’instabilité de la résistance dû aux variations de la microsilice d’origine, ce qui a permis d’améliorer l’homogénéité du coulis d’UHPC, le développement de la résistance et la stabilité d’un lot à l’autre.
Pour les clients qui produisent des éléments de ponts en UHPC, des dalles de recouvrement, des éléments préfabriqués à haute résistance, des produits en béton précontraint (RPC) et des matériaux pour nœuds d’assemblage, la microsilice MSILI UH-94 constitue une solution spécialisée pour l’UHPC alliant haute réactivité, excellente capacité de dispersion et grande stabilité.
