Brevet FR3098916A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Dispositif et procédé pour déterminer un volume, une variation de composition et des caractéristiques rhéo- logiques d'une substance [000 La présente invention concerne la fabrication et le transport d'une composition à hase de liant hydraulique telle qu'un béton. L'invention vise plus particulièrement à déterminer un volume, une variation de composition et des caractéristiques rhéologiques de la composition mélangée à l'intérieur d'un récipient entraîné en rotation. [0002] ARRIERE PLAN DE L'INVENTION [0003] L'évolution des techniques de fabrication du béton et des modes de construction a engendré l'utilisation de béton de plus en plus fluides, notamment grâce à l'avènement de superplastifiants de type polycai-boxylate-polyacrylate qui permettent de réduire le dosage en eau. [0004] Les avantages procurés par de tels bétons sont nombreux et connus en soi : réduction des coûts énergétiques de fabrication et de mise en oeuvre, rapidité des opérations de coulage, meilleure durabilité des ouvrages de par l'utilisation de ratio eau/ciments plus faibles pour une consistance donnée, moindre pénibilité pour les opérateurs... [0005] Plusieurs tests existent pour déterminer la consistance d'un béton. Le plus connu est l'affaissement au cône d'Abrams qui consiste à démouler le béton contenu a l'intérieur d'un cône tronqué et à mesurer la variation de hauteur du corps d'épreuve avant/après démoulage (affaissement). Plus l'affaissement est important, plus le béton est considéré fluide. Pour les bétons très fluides (bétons dits autoplaçants ou BAP), la mesure de l'affaissement peut se révéler insuffisante : on procède alors à la mesure du diamètre du corps d'épreuve après démoulage (étalement).Un autre test, appelé Vfunnel, consiste à évaluer la vitesse d'écoulement d'une quantité prédéterminée de béton passant à travers l'orifice d'un entonnoir en V, par la mesure du temps d'écoulement. Ce dernier essai ne peut qu'être appliqué aux bétons très fluides. [0006] Néanmoins, les résultats de ces tests dépendant de nombreux paramètres propres aux essais eux-mêmes (dimensions des appareils d'essai, procédé d'exécution...), leur représentativité s'en trouve limitée (ils ne mesurent pas une grandeur physique propre au matériau testé, mais apprécient, par le biais d'une information synthétique, l'effet combiné de plusieurs grandeurs physiques). Ces tests (essais technologiques) visent à apprécier le comportement à l'écoulement du béton, mais ne permettent pas de déterminer le comportement physique intrinsèque d'un béton, notamment du point de vue de la science de l'écoulement (comportement rhéologique). [0007] La détermination de ce comportement est réalisée avec un rhéomètre, appareil qui 2 permet de caractériser la déformation par écoulement d'un béton en réponse à une contrainte appliquée (ou vice-versa, mesurer la contrainte résistante exercée par le fluide contre une déformation par écoulement donnée). [0008] La mesure rhéologique, tout autant que la réalisation dcs essais technologiques, requiert d'autre part le confinement du béton à caractériser dans un récipient immobile par rapport au sol (mesures statiques). Elles présupposent donc l'extraction d'une partie du béton depuis les dispositifs dc fabrication (malaxeur) ou dc transport (camion toupie), ce qui interrompt la livraison du béton et limite le nombre de mesures pendant le cycle de fabrication et de distribution dudit béton. Les mesures statiques présentent en outre la limite dc caractériser un matériau initialement au repos (dans des conditions différentes, donc, de celles à l'intérieur du malaxeur où il est en agitation continue). [0009] OBJET DE L'INVENTION [0010] L'invention a donc pour but de proposer un dispositif et un procédé afin de ca- ractériser unc substance permettant dc dépasser au moins en partie les limites précitées, et notamment de ne pas être limité à des mesures statiques. Par « caractériser », on entend déterminer une quantité et/ou une variation de composition et/ou une ou plusieurs caractéristiques de la substance. Résumé de l'invention [0011] A cet effet, l'invention propose un dispositif pour caractériser une substance mélangée à l'intérieur d'un récipient de telle manière que la substance soit mobile en rotation par rapport au récipient, le dispositif comprenant : [0012] - un capteur d'effort fixé à unc paroi du récipient, le capteur s'étendant à l'intérieur dudit récipient selon un axe sensiblement normal à ladite paroi ; [0013] - un capot de protection recouvrant le capteur et fixé exclusivement et de manière immobile à une extrémité libre du capteur de façon à ce que, lors d'une rotation du récipient, le capot soit soumis à unc pression de résistance exercée par la substance et à ce que la résultante de cette pression de résistance soit concentrée sur l'extrémité libre du capteur ; et [0014] - des moyens de transmission d'un signal délivré par le capteur à des moyens d'enregistrement et de traitement du signal agencés pour déterminer, à partir du signal, un volume et/ou une variation de composition et/ou au moins une caractéristique rhéologique de la substance. [0015] L'invention permet de caractériser la substance à partir du signal fourni par le capteur. La variation de composition peut résulter par exemple d'un rajout d'eau, d'adjuvant ou de fibres dans le béton. [0016] De manière particulière, la substance mélangée est un béton. [0017] De manière particulière, la caractéristique rhéologique est le seuil d'écoulement et/ou 3 la viscosité. [0018] De manière particulière, les moyens de transmission du signal comprennent un système de connexion sans fil ou radio. [0019] L'invention concerne également un procédé pour caractériser une substance mélangée à l'intérieur d'un récipient mobile en rotation à partir d'un tel dispositif. Le procédé comprend les étapes suivantes : [0020] enregistrer un signal délivré par le capteur lors de rotations du récipient ; et déterminer un volume et/ou une variation de composition et/ou au moins une caractéristique rhéologique de la substance à partir du signal. [0021] De manière particulière, la détermination du volume, de la variation de composition et de la caractéristique rhéologique de la substance comprend un redressement du signal brut délivré par le capteur en soustrayant audit signal brut un signal de base correspondant aux fluctuations d'effort auxquelles est soumis le capteur sous l'effet de son propre poids lorsque le récipient tourne. [0022] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le signal de base est déterminé en enregistrant et en analysant le signal délivré par le capteur lorsque la toupie tourne à vide. [0023] Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le signal de base est déterminé à partir du signal brut. [0024] Selon une caractéristique particulière, la détermination du volume est déterminée à partir d'un angle de présence de la substance. [0025] De manière particulière, l'angle de présence est déterminé à partir du signal redressé ou du signal brut. [0026] Avantageusement, l'angle de présence est déterminé à partir d'un temps de présence du béton extrait du signal redressé ou du signal brut. [0027] Selon une autre caractéristique particulière, la variation de composition est dé- terminée en comparant une valeur équivalente du signal redressé sur une période donnée à une valeur équivalente du signal redressé sur une période consécutive à la période donnée. [0028] Selon une autre caractéristique particulière, la caractéristique rhéologique de la substance est déterminée en associant, pour un volume de substance donné et pour au moins deux valeurs w de vitesse de rotation du récipient ainsi que des valeurs Seqi du signal équivalent correspondant, aux couples (w Seqi) des couples grad(v ,,T , ), où gradv , est le gradient de vitesse et r i la contrainte de cisaillement. [0029] Avantageusement, la caractéristique rhéologique est une viscosité de la substance [0030] Avantageusement encore, la caractéristique rhéologique est un seuil d'écoulement de la substance. Brève description des dessins [0031] L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels : [0032] [Fie.11 la figure 1 est une vue de côté d'un camion toupie équipé d'un dispositif selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; [Fig.21 la figure 2 est une vue en coupe partielle du camion toupie illustré à la figure 1 selon un plan II-II orthogonal à un axe de rotation de la toupie et passant par un axe longitudinal du dispositif ; [Fie.31 la figure 3 est une vue en coupe détaillée du dispositif illustré à la figure 2 ; [Fig.4] la figure 4 représente, sur un même graphique, un signal brut envoyé par un capteur du dispositif et un signal de base dudit capteur ; [Fig.51 la figure 5 représente un signal redressé correspondant aux signaux illustrés à la figure 4 ; [Fig.6] la figure 6 représente une corrélation expérimentale établie entre un angle de présence du capteur et un volume de béton ; [Fig.7] la figure 7 représente une corrélation établie entre un gradient de vitesse grad v i et une contrainte de cisaillement r i ; [Fig.8] la figure 8 représente, pour différents bétons, des valeurs rhéologiques r 1 ,p expérimentales et des valeurs mesurées correspondantes. Description des modes de réalisation 100331 En référence à la figure I, un camion 1 toupie, autrement appelé camion malaxeur, comprend de façon connue en soi une toupie 2 tournante formant un récipient pour contenir et mélanger un béton B. La toupie 2, disposée dans L longueur du camion 1, présente un axe de rotation X avantageusement incliné vers l'avant du camion 1 et comprend un orifice de sortie 2.1 agencé à l'arrière du camion 1. 100341 Pendant le transport du béton vers un lieu de déversement, la toupie 2 tourne dans un premier sens autour de l'axe de rotation X afin d'effectuer un brassage du béton B et d'empêcher sa ségrégation dans ladite toupie 2. Une cloison hélicoïdale est prévue pour pousser le béton B vers un fond de la toupie 2 opposé à l'orifice de sortie 2.1 afin de le brasser et de l'éloigner dudit orifice de sortie 2.1. 100351 Lors du déversement du béton B, la toupie 2 tourne autour de l'axe de rotation X dans le sens opposé à celui lors de son transport, la cloison hélicoïdale poussant alors le béton B vers l'orifice de sortie 2.1. 100361 Comme illustré aux figures 2 et 3, le camion est équipé d'un dispositif D selon un mode de réalisation particulier de l'invention pour déterminer un volume, une variation de composition et des caractéristiques rhéologiques du béton B. Le dispositif D comprend un capteur 3 d'effort comportant un barreau d'environ 15 cm de longueur, élastiquement déformable pourvu d'au moins une jauge de contrainte (basée sur le principe du pont de Wheatstone). Une extrémité du barreau du capteur 3 est fixée par vissage à une paroi 2.2 de la toupie 2 pour former une liaison encastrement et pour que le barreau s'étende à l'intérieur de la toupie 2 selon un axe Y sensiblement normal à la paroi 2.2, soit sensiblement radial par rapport à l'axe de rotation X de la toupie 2. Avantageusement, le capteur 3 est ici monté sur une porte d'inspection de la toupie 2, notamment pour faciliter la maintenance du capteur 3 qui peut ainsi être aisément sorti de la toupie 2. [0037] Une connexion filaire 4 relie le capteur 3 à un système 5 d'enregistrement et de traitement de signal. Le système 5 comprend une unité électronique comportant un processeur et une mémoire contenant un programme ayant des instructions agencées pour analyser un signal Sb brut délivré par le capteur 3 via la connexion filaire 4. Les informations issues de l'enregistrement et du traitement du signal Sb sont ici transmises en temps réel à une unité d'affichage embarquée (non représentée ici) de préférence par une liaison non filaire. [0038] Un capot 6 de protection recouvre le capteur 3. Le capot 6 comprend une paroi tubulaire ayant une extrémité ouverte voisine de la paroi 2.2 et une extrémité fermée par une cloison transversale fixée exclusivement et de manière immobile, c'est-à-dire pour assurer une liaison de type encastrement, à une extrémité libre dudit capteur 3 par vissage de façon à reporter la résultante des forces F s'exerçant sur la paroi tubulaire du capot 6, sur l'extrémité libre du barreau du capteur 3. [0039] Un joint d'étanchéité 7 s'étend autour de l'extrémité ouverte du capot 6 pour assurer une étanchéité entre le capot 6 et la paroi 2.2 de la toupie 2 en assurant ainsi l'inaccessibilité du béton B au capteur 3. Le joint d'étanchéité 7 ne doit pas empêcher les mouvements du capot 6. Le joint d'étanchéité 7 est constitué, par exemple, par une bordure polymérisante in situ, par un joint plat ou par un joint sans contact de manière à rendre négligeables la résistance du joint aux mouvements du capot 6. [0040] En service, le capteur 3 équipé du capot 6 tourne avec la toupie 2 dans le sens de rotation indiqué par la flèche 8 ou dans le sens opposé, selon que la toupie 2 mélange ou évacue le béton B. Dans les deux cas, le béton B reste en partie basse de la toupie 2 en raison de l'action de la gravité. [0041] Le capteur 3 est ainsi immergé dans le béton B à chaque rotation de la toupie 2 et se déplace par rapport au béton B. Le béton B exerce alors, sur toute une longueur du capot 6, une pression de résistance représentée schématiquement avec des flèches 9 opposées au mouvement de rotation du capteur 3. Le capteur 3 permet ainsi de mesurer directement la force exercée par le béton B sur le capot 6 et envoyer le signal Sb brut 6 correspondant. [0042] Le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal utilise alors le signal Sb brut pour déterminer le volume, des caractéristiques rhéologiques et la variation éventuelle de composition du béton B contenu dans la toupie 2. [0043] Pour cela, le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal effectue tout d'abord un redressement du signal Sh brut envoyé par le capteur 3 en soustrayant audit signal Sh hrut un signal h sinusoïdal dit de hase correspondant aux fluctuations d'effort auxquelles est soumis le capteur 3 sous l'effet de son propre poids lors de la rotation de la toupie 2. [0044] Le signal Srcdresse, le signal Sb hrut et le signal b de hase sont liés par la relation suivante : [0045] Srie = 5b(t) - [0046] Un exemple de signal Sb brut et de signal b de base est illustré à la figure 4. Le signal Sr redressé correspondant est illustré à la figure 5. [0047] Le signal Sb brut est caractérisé par une évolution sensiblement périodique de période T selon la relation : [0048] Sr(r) sr(t 4- T) [0049] Le signal b de hase peut être décrit selon l'équation : [0050] = A sie(lesit ira [0051] dans laquelle A représente l'amplitude du signal, w la pulsation et 99 la phase à l'origine. [0052] Les valeurs A, w et peuvent notamment être déterminées, de façon connue en soi, en enregistrant et analysant le signal délivré par le capteur 3 lorsque la toupie 2 tourne à vide, autrement dit sans béton, autour de son axe de rotation X. Ceci peut être réalisé lors d'une phase de calibration réalisée soit en usine soit en exploitation lorsque la toupie 2 est vide. [0053] Une solution alternative consiste à déterminer les valeurs A, w et go à partir du signal Sb brut. Le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal permet notamment d'accéder, sur une étendue temporelle prédéterminée, à une fréquencefmoyenne du signal Sb brut. La fréquence f moyenne peut, par exemple, être calculée par une analyse des discontinuités d'une dérivée numérique ou d'une transformation de Fourier du signal Sb brut. La fréquence/. moyenne du signal Sb brut coïncidant avec celle du signal b de base, la pulsation w peut donc être déterminée à partir de l'équation : [0054] -kyr szo= 2 .f T [0055] Par ailleurs, le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal permet 7 également d'accéder à la phase cp. et à l'amplitude A, notamment par un repérage d'un point M ' du signal Sb brut de cordonnées I m', ,S19 M' correspondant à un mininum du signal Sb brut selon les relations : [0056]-aeiei = .4 = Sh,' [0057] La détermination de l'amplitude A, de la pulsation w et de la phase q du signal b de base est effectuée sur au moins deux rotations complètes de la toupie 2, et de préférence sur au moins cinq rotations complètes pour pouvoir avoir une détermination quasi-instantanée du signal Sr redressé. [0058] Le signal Sr redressé est caractérisé, sur une période T donnée, par la présence de deux variations brusques correspondant à une entrée Pe du capteur 3 dans le béton B et à une sortie Ps du capteur 3 du béton B. [0059] A partir du signal Sr redressé, le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal détermine un angle a ' de présence du béton B correspondant sensiblement à l'amplitude angulaire pendant laquelle le capteur 3 est immergé dans ledit béton B. [0060] L'angle a ' de présence peut notamment être déterminé à partir d'un temps de présence T' correspondant sensiblement à la durée pendant laquelle le capteur 3 est immergé dans le béton B, selon les formules : [0061] cr - = =t [0062] où t g et t e sont les valeurs de temps respectivement associées aux variations brusques Ps et Pe. [0063] L'angle a r de présence peut également être déterminé en transformant les co- ordonnées temporelles t , et t e en coordonnées angulaires selon la relation : [0064] [0065] avec [0066] as = = tôt., + [0067] A partir de l'angle a' de présence, le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal détermine le volume de béton B contenu dans la toupie 2 par le biais d'une corrélation expérimentale préalablement établie entre l'angle a ' de présence et le volume de béton B, comme par exemple celle illustrée à la figure 6. [0068] De façon simultanée, le système 5 d'enregistrement et de traitement de signal détermine également, à partir du signal S redressé, une variation de la composition du béton. [0069] Pour cela, le système 5 d'enregistrement et de traitement du signal associe sur une ou 8 plusieurs périodes consécutives, une valeur scalaire unique S ' appelée signal équivalent. Le signal S ' équivalent peut être notamment une moyenne du signal S. redressé sur la ou les périodes considérées, une moyenne du signal S r redressé en valeur absolue, mais aussi la valeur s r (t e) du signal S r redressé à l'instant I e ou la valeur S r ) du signal Sr redressé à l'instant t ou bien encore la moyenne des valeurs Sr 0e) et Sr(ii). [0070] Puis, le système 5 d'enregistrement de traitement de signal compare une valeur S ' (t) du signal équivalent d'une période donnée à une valeur S ' (t-EnT) du signal équivalent d'une période consécutive à la période donnée en vérifiant la condition sub. ante : [0071] -5' + if -t REVENDICATIONSDispositif (D) pour caractériser une substance (B) mélangée à l'intérieur d'un récipient (2) de telle manière que la substance soit en mouvement relatif de rotation par rapport au récipient, le dispositif comprenant : - un capteur (3) d'effort fixé à une paroi (2.2) du récipient (2), le capteur s'étendant à l'intérieur dudit récipient selon un axe (Y) sensiblement normal à ladite paroi, et placé de manière à ce qu'il soit immergé au moins périodiquement dans la substance pendant la rotation; - un capot (6) de protection recouvrant le capteur (3) et fixé ex- clusivement et de manière immobile à une extrémité libre du capteur de façon à ce que, lors du mouvement relatif de la substance par rapport au récipient (2), le capot (6) soit soumis à une pression de résistance conférée par la substance (B) et à ce que la pression de résistance soit concentrée sur l'extrémité libre du capteur (3) ; et des moyens de transmission (4) d'un signal (Sb) délivré par le capteur à des moyens d'enregistrement et de traitement (5) du signal agencés pour déterminer, à partir du signal, un volume et/ou une variation de composition et/ou au moins une caractéristique rhéologique de la substance. [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la substance mélangée est un béton ou un mortier (B). [Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la caractéristique rhéologique est le seuil d'écoulement et/ou la viscosité. [Revendication 4] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de transmission (4) du signal comprennent un système de connexion sans fil ou radio. [Revendication 5] Procédé pour caractériser une substance (B) mélangée à l'intérieur d'un récipient (2) de telle manière que la substance soit en mouvement relatif de rotation par rapport au récipient à partir d'un dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : enregistrer un signal (Sb) délivré par le capteur (3) lors de rotations du récipient (2) ; et 12 déterminer un volume et/ou une variation de composition et/ou au moins une caractéristique rhéologique de la substance à partir du signal (Sb). [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] Procédé selon la revendication 5, dans lequel la détermination du volume, de la variation de composition et de la caractéristique rhéologique de la substance comprend un redressement (Sr) du signal Sb) brut délivré par le capteur (3) en soustrayant audit signal (Sb) un signal (b) de base correspondant aux fluctuations d'effort auxquelles est soumis le capteur (3) sous l'effet de son propre poids lorsque le récipient (2) tourne. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le signal (b) de base est déterminé en enregistrant et en analysant le signal (Sb) délivré par le capteur (3) lorsque le récipient (2) tourne à vide. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le signal (b) de base est déterminé à partir du signal (Sb) brut. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel la détermination du volume est déterminée à partir d'un angle (a p) de présence de la substance (B). Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'angle (a p) de présence est déterminé à partir du signal (Sr) redressé ou du signal (Sb) brut. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'angle (a v ) de présence est déterminé à partir d'un temps de présence (T ) du béton (B) extrait du signal (Sr) redressé ou du signal (Sb) brut. Procédé selon la revendication 6, comprenant l'étape de déterminer une variation de composition de la substance en comparant une valeur équivalente (S , (t)) du signal (Sr) redressé sur une période (T) donnée à une valeur équivalente (S , (t+nT)) du signal redressé sur une période consécutive à la période (7) donnée. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la caractéristique rhéologique de la substance (B) est déterminée en associant, pour un volume de substance (B) donné et. pour au moins deux valeurs (o) r ) de vitesse de rotation du récipient (2) ainsi que des valeurs (S 'i) du signal (S ,) équivalent correspondant, aux couples (w , S 'i) des couples grad(v où gr-ad y r est le gradient de vitesse et r r la contrainte de cisaillement. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la caractéristique 13 rhéologique est une viscosité (y) de la substance (B). [Revendication 15] Procédé selon la revendication 13, dans lequel la caractéristique rhéologique est un seuil d'écoulement (r o) de la substance (B).