Study of the effect of the slip layer on the velocity profiles of pumped concrete
Etude de l'effet de la couche limite sur les profils de vitesses du béton pompé
Résumé
The rheological properties of concrete are significantly influencing the relation between pumping pressure and discharge rate. The concrete rheology is often characterized by a rheological law in stationary conditions (time independent), giving the evolution of shear stresses as a function of shear rate. In case of traditional concrete, this evolution is typically described by a Bingham model, while for a self-compacting concrete with low water/powder ratio, the evolution often becomes non-linear and can be described by a modified Bingham or Herschel-Bulkley model, considering shear-thickening. In these models, a critical shear stress is typically considered above which the concrete starts to flow. Furthermore, a consistency parameter is considered (and in case of non-linear behavior also an index) to describe the intensity of the evolution. As a consequence, the relation between pressure and discharge rate can be linear or non-linear, depending on the concrete pumped. As the rheological parameters of the concrete are directly relevant for the prediction of the pumping pressure, the accurate measurement of these parameters is a challenging task.As the rheological properties of concrete cannot be directly measured as a physical quantity, concrete rheometers can only be used to determine the rheological parameters in an indirect way, by measuring other physical values like speed, couple or pressure. Different methods can be applied in order to convert the measured physical values to obtain the rheological properties. The most direct method consist of calibrating the rheometers by testing materials with known rheological parameters. A higher precision in this approach can be obtained by testing a higher number of known materials. However, in order to cover the whole range of rheological properties of concrete, a very high number of known materials would have to be tested, which would thus become very cumbersome. Instead of performing this calibration in an experimental way, it can be done in a numerical way. This kind of numerical calibration is the topic of chapter 2 of the doctoral thesis.Besides the rheology of the concrete, tribology is also an important factor determining the pumping characteristics. Tribology enables to characterize the behavior of concrete in the interface with the surface of the pumping pipe. For traditional concrete with high yield stress, the flow of concrete in the pumping pipe is dominated by the slip layer or lubrication layer near the surface, while the bulk of the concrete is flowing as a plug. This slip layer can only be formed due to shear stresses in this area, and is considered to be the consequence of three phenomenons: geometrical wall effect, structural breakdown, and dynamic segregation. These phenomenons induce a reduction of the viscosity of the concrete within a layer of a few millimeter near the surface of the pumping pipe. As a result, a non-homogeneous flow is induced. Due to the occurrence of the slip layer, an additional speed component is added to the speed profile already induced by shear of the concrete.In order to characterize the concrete behavior near the surface, tribometers are being used, simulating the relative movement between concrete and the surface. In case of traditional concrete, with high yield stress, due to the relative movement only the slip layer is sheared, while the bulk concrete is not sheared. In this case, the use of tribometers results in a yield stress and a viscous constant of the slip layer. These two parameters enable to define a linear relation between shear stress and shear rate in the interface. Meanwhile, in case of self-compacting concrete, the concrete is also sheared, leading to very complicated tribology measurements. For this reason, it is very difficult to characterize the behavior of self-compacting concrete near the interface by means of a tribometer. This situations complicates the prediction of the relation between pumping pressure
La rhéologie du béton est un facteur d'influence direct sur la relation entre la pression de pompage et le débit. La rhéologie appliquée au béton est souvent caractérisée par une loi rhéologique à l'état stationnaire (indépendant du temps). Il s'agit d'un domaine assez pointu concernant principalement l'évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement. Cette évolution du béton traditionnel est souvent caractérisée par le modèle de Bingham alors que pour un béton auto plaçant dont le rapport E/L est faible, l'évolution peut devenir non linéaire et peut suivre le modèle de Bingham modifié ou Herschel-Bulkley pour un fluide rhéo-épaississant. Pour ces modèles, on parle souvent d'un seuil de cisaillement au-delà duquel le béton commence à s'écouler, d'un indice de consistance (et un indice de puissance pour le cas d'une relation non linéaire) qui décrit l'intensité de l'évolution. En conséquence, la relation entre la pression et le débit peut être linéaire ou non linéaire en fonction du type du béton pompé. Comme les paramètres rhéologiques d'un béton participent directement à la prédiction de la pression de pompage, la mesure de ces paramètres fait l'objet un travail très exigeant au niveau de la précision.Comme les paramètres rhéologiques d'un béton ne sont pas des grandeurs physiques directement mesurables, les rhéomètres développés pour le béton frais ne sont capables de délivrer ces paramètres qu'à travers des mesures des autres grandeurs physiques de base comme la vitesse, le couple, la pression. Ensuite, plusieurs méthodes peuvent être appliquées pour reconvertir les grandeurs mesurées. Ces méthodes sont appelées la résolution du problème inverse. La méthode la plus efficace pour résoudre (ou confirmer la résolution du) le problème inverse concerne la calibration du rhéomètre avec des matériaux dont les propriétés rhéologiques sont connues. Plus le nombre de matériau utilisé pour la calibration est grand, plus la précision est meilleure. Cependant, pour les matériaux cimentaire, le nombre de matériau nécessaire pour bien couvrir les plages de valeurs des paramètres rhéologique est de l'ordre de quelques centaines de matériau. Cela demande un travail expérimental énorme et non rentable. Cependant, à la place de réaliser cette calibration expérimentalement, il est tout à fait possible de la réaliser en faisant des simulations numériques. Ces travaux numériques font partie du deuxième chapitre de la thèse.En complément de la rhéologie, la tribologie du béton est aussi un facteur déterminant du pompage. La tribologie permet de caractériser le comportement du béton à l'interface avec la paroi de la tuyauterie. Pour le cas de béton traditionnel dont le seuil de cisaillement est très important, l'écoulement du béton est dominé par l'effet de glissement du bloc de béton sur une couche limite de comportement lubrifiant. La couche limite est uniquement créée quand il y a une contrainte de cisaillement entre le béton et la paroi. Ce phénomène est présumé être la conséquence de la combinaison des trois phénomènes: l'effet géométrique de la paroi, la rupture structurelle interne et la ségrégation dynamique. Tous ces effets entrainent une diminution de la viscosité du matériau pompé sur une distance de quelques millimètres à la paroi. En conséquence, un écoulement non homogène est formé. Une vitesse de glissement à la paroi s'additionne à la vitesse engendrée par le cisaillement.Afin de caractériser le comportement du béton à la paroi, la tribométrie du béton voit le jour. Cela s'effectue avec les tribomètres qui simulent le mouvement relatif entre le béton et la paroi. Grace au mouvement, pour les bétons traditionnels dont le seuil de cisaillement est élevé, uniquement la couche limite est cisaillée mais pas le béton. Les paramètres délivrés sont un seuil d'interface, une constante visqueuse. Ces deux grandeurs permettent d'établir une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement à l'interf
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Génie civil
Origine : Version validée par le jury (STAR)