[PDF] Prédiction de la compacité des bétons compactés au rouleau à l

View - Download Prédiction de la compacité des bétons compactés au rouleau à l

Previous PDF

Next PDF

BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36 23

Prédiction de la compacité

des bétons compactés au rouleau à l'aide d'un modèle d'empilement granulaire

Nadia POULIOT*

Département de Génie civil

Université Laval

Québec (Canada)

Thierry SEDRAN

Ingénieur des travaux publics de l'État

Section Elaboration des Matériaux

Division Technologies du génie civil et environnement

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Centre de Nantes

François de LARRARD

Chef de la division Technologies du génie civil et environnement

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Centre de Nantes

Jacques MARCHAND

Département de Génie civil

Université Laval

Québec (Canada)

RÉSUMÉ

Le béton compacté au rouleau (BCR) est

régulièrement utilisé pour la construction de barrages, de chaussées routières et d'aires d'entreposage (en particulier, au Canada).

La rapidité de mise en place, les faibles

teneurs en ciment et l'utilisation d'ajouts minéraux (cendres volantes, fillers calcai- res, résidus miniers, etc.) en font un maté- riau économiquement très intéressant pour l'industrie de la construction. Le BCR pos- sède cependant une structure interne parti- culière de par sa forte proportion de granu- lats et sa consistance très sèche. On remarque souvent la présence de nom- breux vides de compactage causés par une densification incomplète du matériau ou encore un volume insuffisant de pâte de ciment autour des granulats. Afin de facili- ter l'enrobage des granulats par la faible quantité de pâte de ciment disponible, il devient donc important de maximiser la compacité du squelette granulaire en opti- misant les proportions des différentes clas- ses granulaires. La présente étude con- firme le potentiel d'utilisation d'un modèle permettant la prévision de la compacité d'un mélange granulaire, le modèle d'empi- lement compressible (MEC), pour la formu- lation et l'optimisation des BCR. On pro- pose une procédure de formulation des

BCR par le MEC basée sur une valeur de

l'indice de serrage K représentative de l'énergie nécessaire à la mise en place de ce type de matériau.

DOMAINE

Routes.

Le béton compacté au rouleau

Depuis quelques années, on remarque l'utilisation de plus en plus fréquente du béton compacté au rouleau (BCR) dans la construction de barrages et de chaussées au

Canada (Piggott, 1987 ; Ouellet et

al ., 1998 ; Marchand et al ., 1997) et aux États-Unis (Nanni et al ., 1996). En France, une vaste étude sur la caractérisation des BCR pour barrages a été réalisée il y a quelques années dans différents laboratoires (Projet National BaCaRa, 1996). Les BCR se distinguent des bétons ordinaires par leur affaissement nul, leur proportion importante de granulats et leur faible quantité de pâte de ciment (Marchand et al

1997). Ce type de matériau ayant une apparence très sèche

et raide, sa densification requiert quelques passages d'un rouleau compacteur de type tandem avec ou sans vibra- tion, selon la consistance du béton. Lorsque le BCR est utilisé pour la réalisation d'ouvrages de masse comme les barrages, la quantité de ciment utili- sée est le plus souvent faible et l'utilisation d'ajouts miné raux telles que les cendres volantes est conseillé. Ceci per- * Actuellement au ministère des Transports du Québec (Canada). BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36 24
met de réduire le dégagement de chaleur lors du processus d'hydratation du ciment et de limiter les coûts de production (Marchand et al ., 1997). Le BCR peut également être utilisé comme maté- riau routier. Ce type d'application nécessite une plus grande quantité de ciment et un rapport E/C plus faible que pour un barrage car les sollicita- tions tant mécaniques (passage de véhicules) que thermiques (cycles de gel-dégel, présence de sels fondants) y sont plus importantes (Marchand et al ., 1997). De plus, la teneur en particules fines de diamètre inférieur à 80 m doit être assez élevée afin de faciliter la finition de la surface du béton. Le tableau I résume les distinctions principales qui existent entre les deux types de BCR.

Essais sur béton frais

Deux essais sont le plus souvent réalisés sur le

BCR à l'état frais :

l'essai Proctor modifié (ASTM D 1557), l'essai Vebe (ASTM C 1170-91).

L'essai Proctor modifié

Cet essai permet de définir la relation entre la teneur en eau d'un mélange granulaire et sa den- sité sèche pour une énergie de compactage don- née. L'essai consiste à laisser tomber un marteau plusieurs fois sur un matériau granulaire dans un moule. La masse du marteau (4,5 kg), la hauteur de chute (457 mm), le nombre d'impacts (56) et le nombre de couches (5) sont fixés par la norme. Suite aux opérations de compactage, le moule est arasé puis pesé et la masse volumique humide ( h du matériau est déterminée. On peut calculer la masse volumique sèche ( d ) du mélange à l'aide de l'équation suivante : (1)où h et d sont exprimés en kg/m 3 w représente la teneur en eau totale du béton incluant l'eau absorbée par les granulats, expri- mée en pourcentage de la masse de matériaux secs.

La courbe Proctor modifiée, exprimant

d en fonc- tion de w, a l'aspect d'une cloche où chaque point sur la courbe représente un essai de compactage (Holtz et Kovacs, 1991). Cette courbe est propre à un matériau donné et l'optimum Proctor modifié est situé au sommet de la courbe. Ce point repré- sente la teneur en eau optimale pour atteindre la densité sèche la plus élevée. En effet, lorsque l'on ajoute de l'eau à un mélange granulaire sec, celle- ci agit tout d'abord comme lubrifiant entre les par- ticules qui ont plus de facilité à glisser les unes sur les autres et à se placer de façon optimale. Lorsque cet arrangement granulaire est atteint, l'eau prend cette fois la place du matériau solide à l'intérieur du moule et la densité sèche du squelette diminue.

L'essai Vebe

Cet essai permet de mesurer la consistance d'un

mélange de béton sec. Dans ce contexte, la consis- tance se définit comme le temps requis pour den- sifier une masse de béton par vibration dans un moule cylindrique. L'essai se déroule de la façon suivante. Une masse de béton est placée dans un moule cylindrique de dimensions normalisées. Le moule est fixé sur une table vibrante. Une plaque de plastique dont le diamètre est approximative- ment de 10 mm inférieur au diamètre intérieur du moule est placée sur la surface du béton, une sur- charge est ajoutée puis le béton est vibré. Le temps Vebe est le temps qui s'écoule entre le départ de la vibration et la formation d'un anneau de pâte autour de la plaque de plastique. De façon géné- rale, si après deux minutes l'anneau de pâte ne s'est pas formé, la vibration est arrêtée.

Problématique de la formulation

des bétons compactés au rouleau Le BCR, qu'il soit utilisé pour la construction de barrages ou de routes, possède une structure interne particulière. En effet, il contient une forte proportion de granulats, soit plus de 75 % par rap- port au volume total de matériaux et un faible volume de pâte de ciment, ce qui lui confère une consistance très sèche. Il arrive très souvent que la densification du matériau soit incomplète et qu'il y ait formation de vides de compactage de dimen- sion variable et de forme irrégulière (Marchand et al.

1996 ; Pigeon et Marchand, 1996).

TABLEAU I

Principales caractéristiques d'un BCR pour barrage et d'un BCR pour chaussée (adapté de Ouellet, 1998)

Caractéristiques Barrage Chaussée

Teneur en liant (kg/m

3 ) 60-250 200-350

Rapport eau/liant 0,40-0,80 0,30-0,40

des granulats (mm)75 20

RŽsistance ˆ la

compression (MPa) 15 45

Temps Vebe (s) 10-25 30-60

d h w 100+-------------------100= BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36 25
Afin de réduire la quantité de vides de compac- tage, il devient donc très important de maximiser la compacité du squelette granulaire des BCR en optimisant les proportions des différentes classes granulaires (gravillon, sable, ciment, ajouts miné- raux). L'obtention d'une faible porosité permettra un bon enrobage des granulats par la très faible quantité de pâte de ciment ainsi que des propriétés mécaniques optimisées. Dans le passé, la formulation des bétons consistait à optimiser la compacité en utilisant des maté- riaux granulaires dont la formule se rapprochait le plus possible d'une courbe granulométrique déter- minée empiriquement, tout en conservant un temps Vebe adéquat (Marchand et al ., 1997). Or ces courbes ne tiennent généralement pas compte de la forme, de l'angularité ou de la texture de sur- face des granulats qui peuvent faire varier consi- dérablement la compacité d'un squelette granu- laire (de Larrard, 1999, 2000). De plus, ces méthodes de formulation empiriques nécessitent généralement de nombreuses gâchées en labora- toire pour atteindre les proportions optimales. Récemment, un modèle granulaire analytique a été développé par de Larrard (1999, 2000) et

Sedran (1999) :

le modèle d'empilement compres- sible (MEC). Le MEC permet le calcul de la com- pacité d'un mélange granulaire à partir de la com- pacité et de la granularité des constituants, des proportions du mélange et d'un paramètre K nommé indice de serrage et qualifiant l'intensité du compactage. Le modèle d'empilement com- pressible est une version améliorée du modèle de suspension solide qui est lui-même basé sur le modèle linéaire de compacité (de Larrard et al

1994a, 1994b).

Des études récentes (Tremblay et

al ., 1996 ;

Ouellet, 1998 ; Ouellet et

al ., 1998) ont démontré l'intérêt du modèle de suspension solide pour la formulation des bétons secs comme les BCR. La présente étude a pour but de confirmer le potentiel d'utilisation du modèle amélioré d'empilement compressible dans la formulation des BCR et de proposer une méthode de formulation rationnelle adaptée au BCR.

Présentation

des données expérimentales Les données expérimentales de deux études sur les BCR réalisées à l'université Laval (Québec, Canada) ont été utilisées afin de développer une méthode de formulation des BCR avec le modèle d'empilement compressible (Tremblay et al

1996 ; Ouellet, 1998). Des mélanges additionnels

de BCR ont également été effectués pour la pré- sente étude, dans le but de confirmer ces résultats. La première étude, réalisée dans le cadre d'un pro- jet en collaboration avec Hydro-Québec, incluait la fabrication de plusieurs mélanges de BCR avec un rapport volumique sable/liant (S/L) et un rap- port massique sable/gravillon (S/G) variables (Tremblay et al ., 1996). Pour chacun de ces mélanges granulaires, on faisait aussi varier la quantité d'eau efficace afin de déterminer la teneur en eau correspondant à la densité sèche la plus élevée, d'après l'essai Proctor modifié. Un total de quarante-sept formulations de BCR, avec et sans ajouts minéraux, ont ainsi été réalisées. Sur certains mélanges à densité optimale, des mesures de temps Vebe ont été effectuées. Dans le cadre de la seconde étude, Ouellet (1998) a réalisé vingt-deux mélanges de BCR couvrant toute une gamme de temps Vebe. En plus de faire varier le rapport eau/liant (E/L), le type de ciment et le type d'ajouts minéraux, l'auteur a utilisé deux types de granulats, soit un granulat concassé et un granulat roulé. Des mesures de la masse volumique Proctor et du temps Vebe ont été effec- tuées sur toutes les formules. L'ensemble de la courbe Proctor n'a toutefois pas été déterminé. On supposera donc que ces mélanges étaient situés près de l'optimum Proctor modifié puisque l'auteur a utilisé la version précédente du MEC, le modèle de suspension solide, pour la formulation des BCR. Les propriétés des matériaux granulaires utilisés dans l'étude de Tremblay et al . (1996) et dans l'étude de Ouellet (1998) sont données respective- ment dans les tableaux II et III. Les analyses gra- nulométriques de ces matériaux sont présentées dans le tableau IV. La composition des différents mélanges des études de Tremblay et al. (1996) et de Ouellet (1998) est indiquée dans les tableaux V et VI respectivement. Il est à noter qu'un réduc- teur d'eau a été utilisé pour la deuxième série des mélanges de Ouellet (1998) à un dosage de

3 ml/kg de ciment.

Six BCR additionnels ont été réalisés afin de déterminer la courbe Proctor modifiée de deux squelettes granulaires. Pour chaque formule, un essai Proctor modifié et une mesure de temps Vebe ont été effectués. Le tableau VII présente les caractéristiques des matériaux employés. La dis- tribution granulométrique du ciment type 10 est la même que celle présentée dans le tableau IV. La composition des mélanges est donnée dans le BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36 26
tableau VIII. Pour ces mélanges, un réducteur d'eau a été utilisé à raison de 3 ml/kg de ciment.

Analyse des résultats

Théorie : indice de serrage

Le modèle d'empilement compressible, tel que

décrit par de Larrard (1999, 2000), repose sur la notion de compacité virtuelle ( ) d'un mélange granulaire. La compacité virtuelle se définit comme étant la compacité maximale que l'on peut

atteindre pour un mélange granulaire donné, si l'onconsidère que les particules sont indéformables etsont placées une par une afin d'occuper le moinsd'espace possible. Par exemple, pour un mélangede billes de même grosseur, la compacité maxi-male

que l'on peut atteindre en plaçant les billes une par une est de 0,74. Si l'on considère les mêmes billes mais compactées par un processus aléatoire, la compacité sera alors plus faible, variant de 0,60 à 0,64. Le modèle peut être utilisé pour prédire la compa- cité virtuelle d'un mélange granulaire à partir de sa distribution granulométrique et de la compacité vir- tuelle i de chaque classe de grains le composant.

TABLEAU II

Masse volumique réelle, coefficient d'absorption d'eau et compacité des matériaux utilisés lors de l'étude de Tr emblay et al. (1996)

Matériau AbréviationMasse

volumique réelle (kg/m 3 )Absorption (%)Compacité*

Ciment type 20M C20M 3 140 - 0,600

Cendre volante CV1 2 460 - 0,662

Filler calcaire FC 2 740 - 0,664

Sable S 2 700 0,81 0,703

Gravillon concassé 12,5 mm GC12,5 2 650 0,60 0,595

Gravillon concassé 20 mm GC20 2 650 0,60 0,595

Gravillon concassé 25 mm GC25 2 650 0,60 0,590

* La compacité des ciments et additions minérales est déterminé e par un essai de demande en eau, alors que celle des gravillons et du sable est déterminée à sec sous vibration et compression de 10 kPa (Sedr an, 1999).

TABLEAU III

Masse volumique réelle, coefficient d'absorption d'eau et compacité des matériaux utilisés lors de l'étude de Ou ellet (1998)

Matériau AbréviationMasse

volumique réelle (kg/m 3 )Absorption (%)Compacité*, **

Ciment type 20M C20M 3 140 - 0,599

Ciment type 10 C10 3 150 - 0,582

Ciment type 10sf C10sf 3 010 - 0,616

Cendre volante CV2 2 100 - 0,594

Filler calcaire FC 2 740 - 0,666

Sable S 2 700 0,64 0,703

Gravillon concassé 12,5 mm GC12,5 2 620 0,65 0,587

Gravillon concassé 20 mm GC20 2 660 0,51 0,590

Gravillon roulé 20 mm GR20 2 690 0,70 0,652

* La compacité des ciments et additions minérales est déterminé e par un essai de demande en eau, alors que celle des gravillons et du sable est déterminée à sec sous vibration et compression de 10 kPa (Sedr an, 1999). ** Aucune variation de la compacité du ciment n'a été mise en évidence en présence de réducteur d'eau. BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36 27

TABLEAU IV

Distributions granulométriques des matériaux des études de Tremblay et al. (1996) et Ouellet (1998) Dia m)Pourcentage passant le tamis

GC25 GC20 GC12,5 GR20 S FC CV1 CV2 C20M C10 C10sf

25 000 100 100

20 000 62 100 93

16 000 23 74 100 60

12 500 8 34 97 40

10 000 6 16 63 14 100

5 000 3 6 8 2 95

2 500 1 3 3 1 91

2 000 0 0 0 0 87

1 250 82

630 46

315 32

160 9 100 100 100

80 1 90 93 100 98 100

63 0 8491949697

50 100 78 87 91 92 91

40 99 72 83 82 86 84

31,5 96 66 78 72 79 75

25 90 60 73 64 70 66

20 83 54 66 56 60 57

16 75 46 60 48 53 51

12,5 66 40 53 41 46 43

10 58 36 42 36 37 36

8 503034303131

6,3 42 23 27 23 25 23

5 351720181718

4 301215131213

3,15 24 8 11 8 7 10

2,5 2058556

2 1733333

1,6 1422211

1,25 1210100

11000
0,8 7

0,63 5

0,5 3 0,4 2

0,315 1

0,25 0

BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 233
- JUILLET-AOÛT 2001 - RÉF. 4370 - PP. 23-36quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

[PDF] le marche

[PDF] le marché des matières premières

[PDF] le marché du bio dans le monde

[PDF] le marche du jouet en france

[PDF] Le marché du Pétrole

[PDF] le marché du travail doit il gagner en flexibilité

[PDF] le marché est il efficace dissertation

[PDF] le marché est il toujours efficace dissertation

[PDF] le marché et la formation des prix pdf

[PDF] Le Marché et la Pollution

[PDF] le marché et le principe de la concurrence bac pro

[PDF] Le marché permet-il de coordonner totalement les activités économiques

[PDF] le marché ses

[PDF] le maréchal Pétain demande l'armistice

[PDF] Le Mariage de Figaro