materiaux de construction 3émé cours

إلياس الجزائري · 2008-06-03, 16:09

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3.1.Introduction

Définition

On donnera le nom de granulats à un ensemble de grains inertes destinés à être agglomérés par un liant et à former un agrégat.
Le terme agrégats, utilisé pour désigner les granulats, est donc impropre. En effet, un agrégat est un assemblage hétérogène de substances ou éléments qui adhérent solidement entre eux (le mortier ou le béton par exemple).
Le terme granulat, au singulier, désigne un ensemble de grains d'un même type, quel que soit le critère de classification utilisé. Le terme granulats, au pluriel, sera utilisé pour désigner un mélange de grains de divers types.
Les granulats utilisés dans les travaux de génie civil doivent répondre à des impératifs de qualité et des caractéristiques propres à chaque usage. Les granulats constituent le squelette du béton et ils représentent, dans les cas usuels, environ 80 % du poids total du béton.
Les granulats sont nécessaires pour la fabrication des bétons; du point de vue économique, car ils permettent de diminuer la quantité de liant qui est plus cher; du point de vue technique, car ils augmentent la stabilité dimensionnelle (retrait, fluage) et ils sont plus résistants que la pâte de ciment. Il faut par conséquent, augmenter au maximum la quantité de granulats, en respectant toutefois les deux conditions suivantes:

Les granulats doivent satisfaire à certaines exigences de qualité;
La qualité de pâte liante doit être suffisante pour lier tous les grains et remplir les vides.

Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux, ceux-ci devant permettre de mesurer des paramètres caractéristiques de l'ensemble du matériau dans lequel on a fait le prélèvement. Il faut que l'échantillon utilisé au laboratoire soit représentatif de l'ensemble. Cette opération est généralement difficile, prend du temps et, parfois, est coûteuse, mais elle est essentielle; souvent, les essais effectués sont sans valeur car ils ne sont pas représentatifs.
En général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps:
a) Prélèvement sur le chantier, la carrière ou l'usine d'une quantité de matériaux nettement plus grande que celle qui sera utilisée pour l'essai.
b) Au laboratoire, prélèvement de la quantité nécessaire à l'essai et qui soit également représentative de l'échantillon de départ.
Lorsqu'il n'est pas possible de prendre tout le tas et de le réduire, on procède à un prélèvement local.
Prélèvement sur tas normaux
a) à la main, à l'aide d'une planche ou d'une plaque métallique.
b) à la main, sur tas d'éléments grossiers (gravier concassé) par ratissage dans un récipient.
c) au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrémité taillée en sifflet.

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire)
Le passage de l'échantillon total prélevé sur le tas à l'échantillon réduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par quartage ou à l'aide d'un échantillonneur. L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105 ºC s'il est exempt de minéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60 ºC dans le cas contraire.
Quartage

Fig. 3.2: Opération de quartage

Echantillonneur
Cet appareil de laboratoire fig 3.3, permet de diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dans un bac de manière séparée.
La répétition en cascade de cette opération, en retenant à chaque opération le contenu de l'un des bacs, permet d'obtenir l'échantillon nécessaire, après trois ou quatre opérations identiques.

Le procédé peut être résumé par la (fig. 3.4) ci-dessous. Celle-ci permet de sélectionner une masse (m) à partir d'un prélèvement de masse 3m.

Fig. 3.4: Schéma d'une opération de répartition des matériaux en utilisant de l'échantillonneur

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إلياس الجزائري · 2008-06-03, 16:11

3.2.Courbes granulométriques

Importance de la composition granulométrique
Les propriétés physiques et mécaniques du béton dépendent de beaucoup de facteurs. Généralement on souhaite obtenir un béton résistant, étanche et durable. Pour atteindre ce but, il faut:

que le béton à l'état frais soit facile à mettre en oeuvre et à compacter (pour réduire la porosité).
un maximum de granulats par unité de volume de béton (pour réduire la quantité de pâte liante nécessaire pour remplir les vides, tous les vides devant être remplis de pâte liante).
un minimum de surface spécifique (pour réduire la quantité d'eau de gâchage et obtenir un rapport C/E plus élevé).

Par ailleurs:

il faut choisir Dmax aussi grand que le permet la dimension minimum de la pièce à bétonner et l'encombrement des granulats.
la proportion de chaque dimension des grains doit être choisie de façon à remplir les vides laissés par les grains de dimensions supérieures.
il faut réduire la teneur en éléments fins au minimum requis pour obtenir une bonne maniabilité et une bonne compacité.

Les courbes granulométriques apporteront quelques éléments de réponses à ces conditions.
La condition essentielle pour obtenir le moins de vides possibles (meilleure compacité) dans un mélange de sable et gravillon est de: 35 % de sable de 0/5 et 65 % de gravillons 5/20.

Fig. 3.5: Compacité d'un mélange de grains fins et de grains grossiers

Les courbes granulométriques des différents granulats peuvent être déterminées par l'essai de l'analyse granulométrique (NF P 18-560).
L'essai consiste à classer les différents grains constituant l'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les uns sur les autres, dont les dimensions des ouvertures sont décroissantes du haut vers le bas. Le matériau étudié est placé en partie supérieure des tamis et le classement des grains s'obtient par vibration de la colonne de tamis.
On considère que le tamisage est terminé lorsque le refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux séquences de vibration de la tamiseuse. On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des tamisats sous les tamis dont les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation logarithmique. Par exemple pour le tracé de la courbe granulométrique d'un sable 0/5, on pèse une certaine quantité (après séchage) soit 2 kg par exemple.
Le poids des tamisats successifs permet de déterminer les pourcentages du tamisats (tableau 3.1) correspondant à chacun des tamis utilisés.

Tableau 3.1: Résultats d'une analyse granulométrique correspondant à un sable (fig. 3.5)

La courbe correspondant à ce sable normal, est présentée sur la fig. 3.6, sur lequel ont été également portées les courbes des sables très fins et grossiers ainsi que celles de graviers. La forme des courbes granulométriques apporte les renseignements suivants:

Les limites d et D du granulat en question;
La plus ou moins grande proportion d'éléments fins; par exemple la courbe située au-dessus de celle du sable normal correspond à un sable à majorité de grains fins et c'est l'inverse pour celle située en dessous. En effet, ces trois sables sont des sables 0/5 mm mais les proportions de grains fins (<0,5 mm par exemple ) sont pour chacun d'eux: 25%, 45% et 60%;
La continuité ou la discontinuité de la granularité; par exemple, les courbes de sables sont continues mais la courbe du gravier 5/31,5 présente une discontinuité; en effet le palier s'étendant de 10 à 20 mm signifie que le granulat en question ne contient pas de grains compris entre 10 et 20 mm.

Module de finesse
Les sables doivent présenter une granulométrie telle que les éléments fins ne soient ni en excès, ni en trop faible proportion. Si il y a trop de grains fins, il sera nécessaire d'augmenter le dosage en eau du béton tandis que si le sable est trop gros, la plasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en place difficile. Le caractère plus ou moins fin d'un sable peut être quantifié par le calcul du module de finesse (MF). Celui-ci correspond à la somme de pourcentages des refus cumulés, ramenés à l'unité, pour les tamis de modules 23, 26, 29, 32, 35, 38. Ce paramètre est en particulier utilisé pour caractériser la finesse des sables à bétons.
Dans le cas de la courbe granulométrique du sable normal présenté sur la fig. 3.6, son module de finesse est égal à:
MF = (98 + 90 + 75 + 53 + 28 + 10)/100 = 3,54
Les dimensions nominales normalisées des tamis, seuls appareils utilisés actuellement, sont les suivantes:

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3.3. Classification des granulats

On trie les granulats par dimension au moyen de tamis (mailles carrées) et de passoires (trous circulaires) et on désigne une classe de granulats par un ou deux chiffres. Si un seul chiffre est donné, c'est celui du diamètre maximum D exprimé en mm; si l'on donne deux chiffres, le premier désigne le diamètre minimum d, des grains et le deuxième le diamètre maximum D.
Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D. Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D.
Il existe cinq classes granulaires principales caractérisées par les dimensions extrêmes d et D des granulats rencontrées (Norme NFP18-101):

Les fines 0/D avec D ≤ 0,08 mm,
Les sables 0/D avec D ≤ 6,3 mm,
Les gravillons d/D avec d ≥ 2 mm et D ≤ 31,5 mm,
Les cailloux d/D avec d ≥ 20 mm et D ≤ 80 mm,
Les graves d/D avec d ≥ 6,3 mm et D ≤ 80 mm,

Il peut être utile dans certains cas d'écrire la classification suivante:

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3.4. Les caractéristiques principales des granulats

3.4.1 Caractéristiques physiques

(a) La masse volumique absolue

La masse volumique absolue d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau, déduction faite de tous les vides, aussi bien des vides entre les grains que des vides à l'intérieur des grains.

Volume hachuré = Volume absolu (sans pores)

La densité absolue est le rapport de la masse absolue d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse du même volume d'eau distillée à la même température.
(b) La masse volumique réelle

La masse volumique réelle d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau déduction faite des vides entre particules. La déduction ne concerne pas les vides compris dans le matériau mais seulement ceux entre les particules.

Volume hachuré = Volume réelle (apparent)

La densité réelle est le rapport de la masse réelle d'une unité de volume du matériau sec dans l'air à température donnée à la masse d'un égal volume d'eau distillée à la même température.
(c) La masse volumique apparente

La masse volumique apparente d'un matériau est la masse volumique d'un mètre cube du matériau pris en tas, comprenant à la fois des vides perméables et imperméables de la particule ainsi que les vides entre particules. La masse volumique apparente d'un matériau pourra avoir une valeur différente suivant qu'elle sera déterminée à partir d'un matériau compacté ou non compacté. Il faut donc préciser: masse volumique apparente à l'état compacté ou masse volumique apparente à l'état non compacté.

Volume hachuré = Volume du récipient

La densité apparente à l'état compacté ou non compacté sera obtenue en établissant le rapport de la masse apparente d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse d'une même quantité d'eau distillée à même température.
La masse volumique apparente d'un granulat dépend de la forme et de la granulométrie des grains ainsi que le degré de compactage et d'humidité. La valeur apparente est utilisée dans le cas ou l'on effectue les dosages en volume des différentes composantes du béton. Cette méthode toutefois présente des risques certains à cause du foisonnement. Le graphique ci-dessous donne le foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau.

fig. 3.7: foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau

(d) Absorption

La plupart des granulats stockés dans une atmosphère sèche pendant un certain temps, peuvent par la suite absorber de l'eau. Le processus par lequel le liquide pénètre dans la roche et l'augmentation de poids qui en résulte sont appelés absorption.
L'absorption peut varier dans de très larges mesures suivant la nature du granulat. Elle peut varier de 0 à plus de 30 % du poids sec pour granulat léger.
En général, les granulats naturels utilisés pour la confection du béton sont peu poreux et n'absorbent pratiquement pas d'eau lorsqu'ils sont gâchés avec le ciment et l'eau. Par contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate = agrégats légers expansés d'argile), sont poreux. Il faut alors tenir compte de l'absorption de l'eau par les granulats lorsque l'on détermine la quantité d'eau requise pour fabriquer le béton.
La figure suivante montre les divers cas qui peuvent se présenter lorsqu'un granulat est poreux et qu'il est ou a été en contact avec de l'eau.
Lorsque les granulats sont légèrement poreux, il faut travailler, lors de l'étude de la composition d'un béton, avec des matériaux saturés à surface sèche. On obtient cet état en conservant les granulats dans l'eau pendant plusieurs heures et en les laissant sécher juste avant emploi jusqu'à ce que leur surface devienne roulant dans un linge sec.

Tableau 3.3: La teneur en eau des grsnulats stocké à l'atmosphère

(e) Porosité et compacité

(1) Porosité
En général la porosité est la rapport du volume des vides au volume.

Volume quelconque

On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

(2) Compacité
La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total.
Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

Volume unitaire

La porosité et la compacité sont liées par la relation:

p+c=1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%. En effet:

Si l'on connaît la masse volumique D et la masse spécifique g d'un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

(f) Teneur en eau

La teneur en eau d'un matériau est le rapport du poids d'eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir la teneur en eau comme le poids d'eau W contenu par unité de poids de matériau sec.

A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

Les granulats utilisés pour la confection du béton contiennent généralement une certaine quantité d'eau variable selon les condition météorologique. L'eau de gâchage réellement utilisée est par conséquent égale à la quantité d'eau théorique moins l'eau contenue dans les granulats. Il faut par conséquent disposer de moyens pour mesurer combien il y a d'eau dans les granulats.
Actions possibles de l'eau sur les matériaux
Lorsque tous les vides d'un corps sont remplis d'eau, on dit qu'il est saturé. Le degré de saturation est le rapport du volume des vides rempli d'eau au volume total des vides. Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel. En se transformant en gel, l'eau augmente de 9% en volume environ.
La plupart des matériaux gonflent lorsque leur teneur en eau augmente et, inversément lorsqu'elle diminue (bois, roches sédimentaires, bétons, par exemple).
(g) Propreté et forme des granulats

Propreté des granulats
Les granulats employés pour le béton doivent être propres, car les impuretés perturbent l'hydratation du ciment et entraînent des adhérences entre les granulats et la pâte.
La propreté désigne:
d'une part, la teneur en fines argileuses ou autres particules adhérentes à la surface des grains, ce qui se vérifie sur le chantier par les traces qu'elles laissent lorsqu'on frotte les granulats entre les mains.
d'autre part, les impuretés susceptibles de nuire à la qualité du béton, parmi lesquelles on peut citer les scories, le charbon, les particules de bois, les feuilles mortes, les fragments de racine.

fig. 3.8: Détermination de l'équivalent de sable piston

Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par essai appelé "équivalent de sable piston PS" (norme P 18-597) qui consiste à séparer le sable des particules très fines qui remontent par floculation à la partie supérieure de l'éprouvette où l'on a effectué le lavage. L'essai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas être supérieure à 60 ou 65. L'essai dit "équivalent de sable piston" permet de mesurer le degré de propreté du sable

Tableau 3.4: Valeurs préconisées pour l'équivalent de sable par DREUX

Forme des granulats
La forme d'un granulat est défini par trois grandeurs géométriques:

La longueur L, distance maximale de deux plans parallèles tangents aux extrémités du granulat,
L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat,
La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat.

Le coéfficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la relation:

fig 3.9: Forme d'un granulat

Dans les mêmes conditions L ≤ G ≤ E, on peut déterminer aussi:

La forme des granulats influence:

La facilité de mise en oeuvre et le compactage du béton.
La compacité du mélange, donc le volume des vides à remplir par la pâte de ciment.

L'état de surface des grains influence:

La compacité du mélange.
L'adhérence du granulat à la pâte de ciment.

La forme est d'autant meilleure qu'elle est proche d'une sphère ou d'un cube:

Tableau 3.5: Forme des granulats

3.4.2 Caractéristiques mécaniques

Méthodes de mesures
Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à des usages spécifiques des granulats, par exemple le degré d'usure pour les granulats utilisés pour les bétons routiers.
Essai Micro Deval
C'est un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phénomènes d'usure. Les modalités de cet essai font l'objet de la norme NF P 18-572
Essai Micro Deval
Le principe de cet essai est la détermination de la résistance à la fragmentation par chocs et à l'usure par frottements réciproques. Il fait l'objet de la norme NF P 18-573.
Le coefficient Los Angeles calculé à partir du passage au tamis de 1,6 mm, mesuré en fin d'essai, caractérise le granulat. Pour les granulats susceptibles d'être soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient Los Angeles après une série de 25 cycles gel/dégel (-25 ºC, +25 ºC) et le comparer au coefficient de référence.
Les granulats sont classées en 6 catégories allant de A à F, chacune d'elle devant les conditions suivantes:

Tableau 3.6: Catégories des granulats selon la résistance au chocs et à l'usure