ECOLE DE TECHNOLOGIE SUPERIEURE

LTNWERSITÉ DU QUÉBEC

PROJET D'APPLICATION PRESENTE A

L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPERIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE

A L'OBTENTION DE LA

MA~TRISE EN GENIE DE LA CONSTRUCTION

M.MG.

PAR

MARC CONTANT

CONFECTION DE BÉTONS LEGERS

POUR LA FABRICATION D'ELEMENTS ARCHITECTURAUX

MONTRÉALA~ AVRTL 2000

O Droits réservés de Marc Contant 2000

National Library of Canada

Bibliothèque nationale du Canada

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CE PROJET D'APPLICATION A ÉTÉ ÉVALUÉ

PAR UN JURY COMPOSÉ DE :

M. Daniel Perraton, professeur-tuteur au Département de génie de la constniction à l'École de technologie supérieure

Mme Michèle St-Jacques, professeur au Département de génie de la construction à l'École de technologie supérieure

M. Richard Pleau, professeur agrégé Département de génie chi1 et d'architecture à l'université Laval

IL A FAIT L'OBJET D'UNE PRÉSENTATION DEVANT JURY ET UN PüBLIC

LE 7 AVRIL 2000

A L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

CONFECTION DE BETONS LEGERS

POUR LA FABFüCATION D'ÉLÉMENTS ARCHITECTURAUX

Marc Contant

(Sommaire)

Cette étude contribue à promouvoir l'utilisation du béton dans de nouvelles applications ainsi que l'évaluation des sources potentielles de granulats légers recyclés. En effet, le béton est un matériau qui offre plusieurs perspectives de formes et de couleurs. Cependant. son potentiel commercial pour la vente au détail est grandement limite compte tenu de sa masse volumique, De plus, puisque les préoccupations environnementales sont de plus en plus présentes, le développement de nouveaux matériaux ou produits passe souvent par un processus d'évaluation du potentiel d'utilisation des matériau. recyclés.

Cette recherche a donc pour objectif de développer des bétons légers contenant des materiaux recyclés dans la fabrication d'éléments destinés à la vente au détail. Initialement, une revue de la documentation a permis d'établir les concepts liés à la formulation, ainsi que le potentiel des différents matériaux légers et recyclés selon leur disponibilité, leur coût et leurs propriétés, les billes de polystyrène et les particules de pneus recyclés se sont révélées les plus performantes.

Partant de la revue de la documentation, il a été permis d'établir un dosage initial théorique pour le béton lé er en respectant les contraintes de masse volumique et de coût F ( 1000 kj4m3 et 200 $lm ). Avant la mise en application d'un plan d'expérience, ce dosage initial théorique doit être validé en laboratoire pour son ajustement aux propriétés rhéologiques recherchées. De ces ajustements, on obtient un dosage optimal pratique. Il est ensuite possible d'appliquer le programme d'essais visant à étudier la variation de paramètres clés (rapport EL, % de caoutchouc et quantité de fibres) sur les propriétés du béton à l'état frais et durci.

L'analyse des résultats confirme qu'il est parfaitement réaliste de penser à développer des éléments en béton léger destinés à la vente au détail. En effet, les résultats montrent qu'il est possible de produire des bétons ayant une masse volumique de 1000 kg/m3 a un

coût de 200 $lm3 qui présentent une excellente durabilité et une résistance à la compression de 7 a 8 MPa Cependant, en regard aux essais effectués, on ne peut considérer l'utilisation de caoutchouc comme probante. Non seulement les propriétés du béton a l'état durci ne sont aucunement améliorées, mais on observe même une perte de plasticité en plus d'une augmentation des coiits. 11 serait donc nécessaire d'investiguer davantage pour espérer exploiter les particules de caoutchouc dans le béton léger.

LIGHTWEIGHT CONCRETE MiXING

FOR ARCHITECTURAL ELEMENTS

Marc Contant

(Abstract)

This study promotes the use of concrete in new applications and evaluates the potential sources for light recycled aggregates. Indeed, concrete is a material that offers several perspectives for its shapes and colours possibilities. However, its sale retailed price potential is greatly limited du to its density. Funhermore, since the environmental preoccupations are more and more present, the developrnent for new materials or products often go through an evaluating process of the potential for the use of recycled matenals.

This research has, therefore, for objective to develop lightweight concretes containing recycled materials in the fabrication of elements intended for retail sales. Initially, a review of the concemed literature permitted to establish the concepts related to the formulation as well as the potential for different lightweight and recycled materials. [n consideration of their availability, their costs and their propenies, polystyrene balls and tire particles proved to have the highest performance.

Starting from the literature review, it has been permitted to establish a theoreticai initial dosage for lightweight concrete in respecting the density constraints and the cost (1000 kg/m3 and $200 m3). However. before applying a plan of experience, this theoretical initial dosage ha to be vaiidated in laboratory for its adjustment to the rheological properties. From these adjustments, we obtain a practicai optimal dosage. It is then possible to apply a triai program aiming to study the variation of the essential parameters (ratio WB, % of rubber and fibres quantities) of concrete properties during hardening and plastic States.

The results analysis confims that it is perfectly reaiistic to think on developing lightweight concrete elements intended to retail sales. Indeed, results show the possibility to produce concrete havhg a density of 1000 kglm3 with a cost of $200 m3 and possessing an excellent durability and a compressive strength of 7 to 8 MPa. However, in regard to the worked out tests, one can not consider the use of rubber as

convincing. Not only the concrete properties during harden state has not improved, but one observes a loss of plasticity as well as an increase of the costs. It would be, therefore, necessary to investigate M e r in order to hope to exploit rubber particles in concrete.

REMERCIEMENTS

Je tiens premièrement à remercier mon directeur de recherche M. Daniel Perraton pour

son aide financière et son soutien constant, tant technique que moral, sans qui la

réalisation de cette tâche considérable de travail n'aurait pu ètre achevée.

Je voudrais également remercier M. Pierre Lamothe du Laboratoire de béton qui a rendu

possible la réalisation des essais de gel-dégel.

Je remercie le personnel technique du département de génie de la construction, en

particulier M. Alain Desjardins, pour son aide à la réalisation des essais.

Je tiens aussi à noter l'aide apportée par M. Daniel Benoit pour la présentation

infographique des figures et des photos.

Finalement, je ne pourrais passer sous silence le soutien moral de ma compagne France,

de mes parents et de mes amis qui ont su tout au long de ces quatre années m'encourager

dans ma démarche.

TABLE DES MATIÈRES

SOMMAIRE .......................................................................................... i ... ABSTRACT ......................................................................................... III

REMERCIEMENTS ................................................................................ v

TABLE DES MATIERES ......................................................................... vi

LISTE DES TABLEAUX ....................................................................... ..xi

LISTE DES FIGURES ............................................................................ xiv

LISTE DES ABREVIATIONS .................................................................. xvi

INTRODUCTION .............................................................................................................. 1

CHAPITRE 1 - LE BÉTON LÉGER : REVUE DE LA DOCUMENTATION ............... 3

1.1 Introduction .............................................................................................................. 4

1.2 La formulation ......................................................................................................... 4

1 2 . 1 Nature de l'ouvrage ......................................................................................... 4

1 2 . 1 . 1 Le béton léger structural .............................................................................. 4

1.2.1.2 Le béton léger architectural ......................................................................... 5

1.2.2 Propriétés recherchées des bétons destinés à la vente au détail ........................ 7

1.2.2.1 La masse volumique recherchée .................................................................. 7

1 2 2 . 2 La durabilité recherchée .............................................................................. 7

1.2.2.3 La rhéologie recherchée à l'état frais ........................................................... 9

1 L2.4 Les propriétés mécaniques recherchées ......................................... -9

1.2.3 Le dosage ........................................................................................................... 9

............................................................................ 1 .2. 3.1 Les principes de dosage 10

............................................................................ 1.2.3.2 Les méthodes de dosage 15

....................................................................................... 1.3 Les constituants du béton 17

..................................................................................... 1.3.1 Les liants hydrauliques 17

.................................................................................................... 1.3.2 Les granulats 19

vii

.................................................................................................... 1.3.3 Les adjuvants 21

....................................................................... 1.3.3.1 Les agents entraîneurs d'air 21

................................................................................. 1.3.3.2 Les agents moussants 21

.................................................................................. 1.3.3.3 Les superplastifiants 22

.......................................................................................................... 1.3.4 Les fibres 23

CHAPITRE 2 - GRANULATS POUR BÉTON LÉGER ................................................ 24

2.1 Introduction ............................................................................................................ 24

............................................................................................... 2.2 Les granulats usuels 24

2.3 Les granulats légers ............................................................................................... 25

................................................................................................ 2.3 . 1 Argile expansée 27

................................................................................................ 2.3.2 Schiste expansé 29

........................................................ 2.3.3 Cendres volantes frittées et expansées 3 1

................................................................................................. 2.3.4 Laitier expansé 32

2.3.5 Pierre ponce ...................................................................................................... 34

2.3.6 Billes de polystyrène ........................................................................................ 35

............................................................................................................. 2.3.7 Perlite 36 . .

2.3.8 Verrnlculite ................ ...... .......................................................................... 37

2.4 Les matériaux légers de recyclage ......................................................................... 38

................................................................................................... 1.4.1 Les plastiques 39

............................................................................................... 2.42 Les caoutchoucs 40

CHAPITRE 3 - CONCEPTION ET CHOIX DES CONSTITUANTS

....................................................... POUR LA CONFECTION DW BÉTON LÉGER 47

3.1 Introduction .......................................................................................................... 47

........................................................................................... 3.2 Critères de conception 47

........................................................................................... 3 2 . 1 Aspects techniques 48

3 2 .2 Aspects économiques ....................................................................................... 50

................................................................. 3.2.3 Synthèse des critères de conception 50 ................................................................................................ 3 3 Choix des granuh 51

.................................................................................... 3 .3.1 Choix du granulat léger 52

viii

3.3.2 Choix du granulat recyclé ................................................................................ 53

3.3.3 Synthèse du choix des granulats ...................................................................... 54

3 . 4 Dosage .................................................................................................................. 55

3.4.1 Rapport eadliant .............................................................................................. 56

3.4.2 Le liant ............................................................................................................. 56

3.4.3 L'agent entraîneur d'air .................................................................................. 57

3.4.4 Le superplastifiant .......................................................................................... 57

.......................................................................................................... 3.4.5 Lesfibres 57

3.4.6 Dosage granulaire ............................................................................................. 58

3.4.7 Gâchage en laboratoire ................................................................................... 60

CHAPITRE 4 - PROGRAMME EXPEFUMENTAL ....................................................... 61

CHAPITRX 5 - DESCRIPTION DES MATERIAUX ET DES BETONS .................... 64

............................................................................................................ 5 . 1 Introduction 64

j .2 Caractérisation des matières premières ................................................................ 64

Liant ............................................................................................................... 64

.................................................................................................................... Eau 66

................................................................................................ Entraîneur d'air 67

................................................................ Superplastifiant 67

....................................................................................................... Caoutchouc 68

Polystyrène ..................................................................................................... 69

............................................................................. Sable 70

................................................................................................................ Fibres 71

.................................................................................... Synthèse des matériau 73

........................................................................................... 5.3 Description des bétons 73

............................ CHAPITRE 6 - DESCRIPTION DES ESSAIS EN LABORATOIRE 76

........................................................................................................... 6.1 Introduction -76

...................................................................................... 6.2 Techniques de fabrication 76

6.3 Mesure de l'essai d'étalement ............................................................................... 78

6.4 Mesure de la masse volumique .............................................................................. 78

............................. 6.5 Résistance à la compression et mesure du module d'élasticité 79

........................................................................................ 6.6 Résistance à la flexion 80

............................................. 6.7 Résistance aux cycles de gel-dégel (ASTM (2-666) 80

............... 6.8 Résistance a l'écaiilage en présence de sels fondants (BNQ 2622-420) 81

.............................................................. 6.9 Résistance a la traction : essai brésilien 82

.................................................. CHAPITRE 7 . PRÉSENTATION DES RÉSULTATS 84

7 . I Introduction ................................................................................................................ 84

.............................. .............*................*.............. 7.2 La compositions des bétons .. 84

7.2.1 Teneur en air ..................................... ....... ...... 85

............................................................................................ 7.2.2 Masse volumique -86

.............................................................................. 7.3 La performance des bétons 87

7.3.1 La rhéologie des bétons a l'état frais .................. .... .................................. 87

..................................................................... 7.32 Propriétés du béton a l'état durci 88

.................................................................... 7.3 2 . 1 Résistance a la compression 89

7.2.2.2 Module d'élasticité .................................................................................... 90

............................................................................... 7.3.2.3 Résistance à Ia flexion 97

7.3.2.4 Résistance i la traction (essai brésilien) .................................................... 97 . .

7.3.3 Durabdité .......................................................................................................... 98

7.3.3.1 Résistance à l'écaillage ............ ... ........................................................ 98

............................. 7.3 .3.2 Résistance aux cycies de gel-dégel : cycles accelérés IO5

................................................................................... 7.3.4 Aspects économiques 1 10

............................................................ CHAPITRE a - ANALYSE DES R&JLTATS 112

8.1 Introduction .......................................................................................................... 112

............................................................................................ 8.2 Analyse des résultats 113 . . 8.2.1 L.etalement ................................................................................................ 113

....................................................................... 8.2.2 La résistance à la compression 115

......................................................................................... 8.2.3 Module d'élasticité 116

.................................................................................... 8.2.4 Résistance à La flexion 117

......................................................... 8.2.5 Résistance à la traction (essai brésilien) 118

8.2.6 Résistance a l'écaillage ................................ .... .................................. 1 19

............................................................. 8.2.7 Résistance aux cycles de gel-dégel 121

8.3.8 Ltcoût ............................................................................................................ 123

8.3 Synthèse des résultats ........................... ..... ............................................... 124

CHAPITRE 9 - CONCLUSION ................................................................-.....-......... 129

BIBLlOGRAPHIE ......................................................................................................... 132

Annexe A :

Annexe B :

Annexe C :

Annexe D :

Mélanges d'essais pour ajustement .. ........................................... des proprietés rhéologiques 136

Résultats des propriétés mécaniques des bétons étudies .......... 138

Résultats des essais de résistance a l'écaillage I ...................................................... des bétons étudies 140

Résultats des essais de résistance aux cycles

.......................... accélérés de gel-dégel des bétons étudiés 144

LISTE DES TABLEAUX

Page

........................ 1.1 Caractéristiques des granulats relativement aux propriétés du béton 20

............................ 2.1 Propriétés du béton léger confectionné à partir d'argile expansée 29

2.2 f ropriétés du béton léger confectionné a partir de schistes expansés ........................ 30

2.3 Propriétés du béton Iéger confectionné à partir de cendres volantes . . fnttees et expansées ......... .. ...................................................................................... 32

2.4 Propndtés du béton léger confectionne à partir de laitier expansé ............................. 34

2.5 Propriétés du béton léger confectionné a partir de pierre ponce ................................ 35

2.6 Propriétés du béton léger confectionné a partir de billes de polystyrène ................... 36

2.7 Propriétés du béton léger confectionné à partir de perlite ........................................ 37

2.8 Propriétés du béton léger confectionné à partir de vermiculite .................................. 38

2.9 Indice de variation comparative de cinq bétons (conventionnel. latex. caoutchouc et latex-coutchouc (d'après tee et COL. i998) ............................. .43

3.1 Synthèse des principaux critères de conception ............. ... .................................... 51

3.2 Sommaire des granulats retenus pour la confection d'un béton léger ................... A 4

3.3 Dosages et hypothèses de départ pour la confection du béton léger .......................... 56

3.4 Dosage initial théorique ............................................................................................. 59

..................................................................... 3.5 Dosage optimal pratique 60

4.1 Paramètres du programme expérimental .................................................................... 62

xii

4.2 Niveaux d'influence des facteurs clés ........................................................................ 63

................................................................................................... 4.3 Plan d'expérience 23 63

5.1 Caractéristiques physico-chimiques du ciment de type 10 ....................................... 65

........................................ 5.2 Caractéristiques physico-chimiques de la fumée de silice 66

5.3 Propriétés de l'agent entraîneur d'air ......................................................................... 67

. . . ................. .............. 5.4 Propnetes du superplastifiant ..,...,........ 68

.............................................................. 5.5 Granulométrie des particules de caoutchouc 69

5.6 Propriétés physiques du polystyrène expansé (EPS) ................................................. 70

5.7 Analyse granulométrique du sable et du combiné sable-caoutchouc ..................... 71

5.8 Propriétés des fibres de fonte .................................................................................. 72

5.9 Dimension et coût des fibres de fonte ........................................................................ 72

5.10 Caractéristiques des matériaux utilisés .................................................................... 73

5.1 1 Composition des bétons mis à l'assai dans le cadre du programme . . ............................................................................... expenmentale 75

6.1 Liste des essais réalisés et dimension des éprouvettes ............................................... 77

6.2 Séquence de malaxage ............................................................................................... 77

............................ 7.1 Proportions réelles des bétons confectionnés en laboratoire 85

7.2 Rhéologie des bétons a l'état frais : résultats des mesures d'étalement ..................... 87

.......................... 7.3 Résultats des propriétés micaniques (mûrissement 28 jours) -88

7.4 Résultats des essais de résistance à L'écaillage des bétons (mûrissement 28 jours) .... 99

7.5 Résultats des essais de résiatance aux cycles accélérés de gel-dégel ........................................................................................... (mûrissement 90 jours) 1 06

... 7.6 Résultats des propnetes économiques .................................................................. 1 Il

8.1 Analyse de la variance des résultats obtenus pour l'étalement des bétons

présentés dans le tableau 7.2 ................................................................................... Il4

8.2 Analyse de la variance des résultats obtenus pour la résistance en compression

des bétons présentés dans le tableau 7.3 ................................................................... 116

8.3 Analyse de la variance des résultats obtenus pour le module d'élasticité

des bétons présentés dans le tableau 7.3 ................................................................... 117

8.4 Analyse de la variance des résultats obtenus pour la résistance à la flexion

des bétons présentés dans le tableau 7.3 ................................................................. 1 18

8.5 Analyse de la variance des résultats obtenus pour la résistance a la traction

des bétons présentés dans tableau 7.3 ..................................................................... L I 9

8.6 Analyse de la variance des résultats obtenuspour la résistance à l'écaillage

des bétons présentés dans le tableau 7.4 .................................................................. 120

8.7 Analyse de la variance des résultats obtenus pour la résistance aux cycles

accélérés de gel-dégel des bétons présentés dans le tableau 7.5.. ................... .121

8.8 Variation de l'allongement des faces A et B pour les bétons

....................................................................... de rapport EL de 0'32 123

8.9 Analyse de la variance du coût des bétons présentés dans le tableau 7.6 ............. 124

..................................................... 8.10 Choix des niveaux des facteurs clés 126

........................................... 8.1 1 Synthèse des résultats du béton de la série 1 128

LISTE DES FIGURES

Page

Classification des bétons légers suivant leur masse volumique apparente . . . ........................................................................... et leur utilisation (Cormon, 1973). 26

Variation de la résistance à la compression du béton confectionné à partir d'argiles expansées en fonction de sa masse volumique apparente (dans des conditions normales de conservation : 20 OC, 65 % d'humidité relative) (Corrnon, 1973) ....... 28

Variation de la résistance à la compression du béton confectionné à partir de schiste expansé en fonction de sa masse volumique apparente (dans des conditions normales de conservation : 20 OC, 65 % d'humidité relative) (Cormon, 1973). ...................................................................................................... 30

Variation de la résistance a la compression du béton confectionné à partir de cendres volantes Crinées et expansées en fonction de sa masse volumique apparente (dans des conditions nonnales de conservation : 20 OC, 65 % d'humidité relative) (Cormon, 1973). ..................................................................... 32

Fuseau regroupant les résultats obtenus par de nombreux laboratoires Français et étrangers concernant la variation de la résistance a la compression du béton confectionné à partir de laitier expansé en fonction de sa masse volumique apparente (dans des conditions normales de conservation : 20 OC, 65 % d'humidité) (Cormon, 1973). ................................................................................... 33

Variation de la résistance à la compression du béton confectionné a partir de pierre ponce en fonction de sa masse volumique apparente (dans des conditions normales de conservation : 20 O C . 65% d'humidité relative), (Cormon, 1973). ...... 35

Courbe de contrainte/déformation d'un béton conventionnel et de bétons avec substitution du granulat fin par 20 et 30 % de particules de caoutchouc (Goulias et Hossain, 1998). ...................................................................................... 44

Relation entre la résistance en compression et le taux de substitution du sable par des particules de caoutchouc de béton avec (MOCC) et sans (PCC)

oxvchloride de maenésium lra~~ort E/L constant de 0.57) (Biel et Lee. 1996). ..... 46

7.1 Courbes contrainteldéformation du béton lorsque le rapport E/L est de O,32.. . . . . ... 9 1

7.2 Courbes contrainteldéformation du béton lorsque le rapport E/L est de 0,27.. . . . . . . .92

Courbes contrainteldéformation du béton sans ajout de particules de caoutchouc dans le béton.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . -93

Courbes contrainteldéformation du béton lorsqu'on substitue 20 % de Ia masse de sable par des particules de caoutchouc.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -94

Courbes contrainte/déformation du béton sans ajout de fibre de fonte dans le béton .................................................................................. 95

Courbes contrainteldéformation du béton lorsqu'on ajout 3 kg de fibre de fonte dans le béton ............................................................................................... 96

Variation de la perte de masse des éprouvettes entre 10 et 25 cycles lors de l'essai d'écaillage ............................................................................................... 100

Photos de la surface écaillée des éprouvettes des mélanges # let 2 après 25 cycles (saumure). ..................................................................................... 101

Photos de la surface écaillée des éprouvettes des mélanges # 3 et 4 après 25 cycles (saumure) ............................................................................. 102

7.10 Photos de la surface écaillée des éprouvettes des mélanges # 5 et 6 après 25 cycles (saumure).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 O3

7.1 1 Photos de la surface écaillée des éprouvettes des mélanges # 7 et 8 après 25 cycles (saumure). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I O4

7.12 Variation de l'allongement en fonction du nombre de cycles de gel-dégel.. . ... . . 107

7.13 Variation du module d'élasticité dynamique relatif en fonction du nombre de cycles de gel-dégel.. . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . .. 1 O8

LISTE DES ABRÉVIATIONS

MPa

kg/mJ

mégapascal

kilogramme par mètre cube

millimètre

résistance en compression du béton

module d'élasticité

degré celsius

facteur d'espacement des vides d'air

rapport eau liant

mètre cube

kilogramme

mètre carré par kilogramme

masse volumique

déformation unitaire

coefficient de dilatation thermique

conductivité thermique

gigapascal

micromètre

microstrain

litre par mètre cube

mètre carré par gramme

millilitre

gramme par centimètre cube

Newton

millimètre carré

MTRODUCTION

Les entreprises manufacturières sont à la recherche constante de matériaux

nouveaux pour fabriquer leurs produits. Parmi les nombreux matériaux utilisés, on

retrouve le béton qui offie plusieurs caractéristiques intéressantes : durabilité, facilité de

production, couleurs et formes variées, coût relativement faible. Malgré tous ces

avantages. le béton conventionnel ne recueille qu'une très faible part du marché de la

confection d'éléments préfabriqués pour la vente au détail (pots de fleurs, roches

décoratives, meubles, etc.).

En dépit de sa grande polyvalence, l'utilisation du béton pour la fabrication

d'éléments destinés a la vente au détail demeure fortement limitée par le poids des

éléments. Par contre, il est possible de réduire leur poids en utilisant un béton de faible

masse volumique. Pour développer un tel béton, deux éléments doivent être pris en

considération : les concepts liés à ta fomulation des bétons légers et l'utilisation de

granulats légers. Par ailleurs, il devient de plus en plus intéressant d'évaluer le potentiel

des matériaux recyclés Iégers comme source de matières premières.

Les objectifs de ce mémoire sont: 1) la conception d'un béton léger pour

fabriquer des éléments destinés à la vente au détail ; 3) l'utilisation de produits recyclés

comme source de granulats légers. Dans un premier temps, une revue de la

documentation liée a la formulation des bétons Iégers et aux matériaux recyclés est

présentée. Dans un deuxième temps, on présente tes principaux paramètres qui

gouvernent la conception d'un béton Léger avec matériaux recyclés.

Finalement, l'impact de ces paramètres sur les propriétés du béton à l'état frais et durci

est analysé à partir d'un programme expérimental en laboratoire, de façon à déterminer

un dosage approprié.

CHAPITRE 1

LE BETON LEGER : REVUE DE LA DOCUMENTATION

1.1 Introduction

Les bétons Iégers sont des bétons dont la masse volumique apparente est inférieure à

1800 icg/m3 (Cormon, 1973). Le béton léger est constitué en partie ou en totalité de

granulats légers, de liants hydrauliques ou de résines synthétiques (époxydes, mousses

de polyuréthane, etc.). En fait, la majorité de ces bétons a une masse volumique

apparente faible comprise entre 400 et 1800 kg/m3, comparativement à celle des bétons

conventionnels comprise entre 2200 et 2500 kg/m3 (Cormon, 1973).

En général, on distingue les bétons Iégers confectionnés à partir de granulats légers

de source naturelle, de ceux cüiistitués à partir de granulats Iégers artificiels.

L'apparition du béton léger confectionné à partir de granulats Iégers artificiels date des

années vingt, soit depuis la mise au point par S.J. Hayde du premier procédé de cuisson

de l'argile a partir d'un four rotatif (Cormon, 1973). Bien que l'utilisation des bétons

Iégers ait débuté au siècle dernier, ce n'est qu'a partir des années cinquante qu'ils ont

connu un essor véritable.

Pour développer un béton léger, ont doit prendre en considération deux aspects : la

formulation et le choix des constituants. Dans cette perspective, la revue de la

documentation présentée veut mettre en relief: 1) les particularités en matière de

formulation des bétons légers, 2) la source des constituants spécifiques à la confection

de bétons légers dont les matériaux Iégers naturels, artificiels et recyclis.

1.3 La formulation

L'étude de la formulation d'un béton consiste à défuiir la composition optimale des

granulats et le dosage en ciment et en eau, de façon à atteindre les propriétés du béton

recherchées (Dreux, 1990). Dans l'ensemble, le processus de formulation comprend les

étapes suivantes : 1) définir la nature de l'ouvrage, 2) établir les propriétés du béton en

fonction de la nature de l'ouvrage, 3) établir Ie dosage des constituants permettant ainsi

d'atteindre les propriétés recherchées. Quoique ces étapes soient claires, aucune

méthode de formulation ne permet d'obtenir directement par analyse et manipulation

algébrique une formulation finale. La méthode choisie permet simplement d'établir une

formulation de départ, pouvant convenir aux propriétés recherchées, et devra être

optimisée par essai en laboratoire (Dreux, 1990).

1.2.1 Nature de l'ouvrage

La formulation du béton est tributaire de la nature de I'ouvrage. A ce titre, il

convient de distinguer deux grandes familles de béton Iéger : 1) le béton Iéger structural,

2) le béton Iéger architectural. Bien que le but recherché dans le cadre de ce mémoire

soit davantage axé sur les bétons Iégers architecturaux, on présente de façon sommaire

les distinctions entre ces deux familles. Par la suite, on pourra approfondir les concepts

liés à la formulation d'un béton Iéger à partir de matériau recyclés pour la confection

d'éléments destinés à la vente au détail.

1 21.1 Le béton Iéger stnictunl

L'Association canadienne du ciment Portland (ACCP) définit le béton léger

structural comme un béton ayant une résistance a la compression à 28 jours supérieure a

1 5 MPa dont la masse volumique est inférieure à 1 850 kg/& (Kosmatka et coll., 199 1).

Dans la catégorie des bétons légers structuraux, la diminution du poids spécifique

du béton provient essentiellement de l'utilisation de granulats ayant des densités

nettement inférieures à celles des granulats usuels. Les laitiers de haut fourneau, les

argiles et les schistes expansés, les cendres volantes, les pierres ponces, Les scories et le

tuff constituent en grande partie les sources disponibles de matière première pour

fabriquer des granulats Iégers destinés à la confection de bétons légers structuraux. Une

description plus exhaustive de chacun de ces granulats est donnée au chapitre 2.

Le béton léger stnictural est utilisé pour répondre a des exigences structurales

spécifiques. Ainsi, on utilise du béton léger torsque fa capacité portante du sol ne

permet pas l'érection d'une structure conventionnelle ; pour construire un bâtiment de

grande hauteur pour lequel la diminution de poids est particulièrement intéressante

compte tenu de la capacité portante du sol ; pour construire des plates-formes de forage

dont la diminution de masse facilite ie transport dans les zones à faible tirant d'eau.

Règle générale, cette réduction de poids peut entraîner des économies substantielles dans

la réalisation d'ouvrage (Cormon, 1973).

1 2.1.3 Le béton léger architectural

Tout comme pour le béton Iéger structural, I'ACCP définit un béton Iéger

architectural comme étant un béton ayant une résistance à la compression à 28 jours

comprise entre 0,7 et 7 MPa et dont la masse volumique varie entre 240 à 1440 kg/m3.

On peut obtenir un béton de masse volumique aussi faible de trois façons : 1) par

l'utilisation de granulats ultra-légers, 2) par l'utilisation d'un agent moussant, 3) par la

confection d'un béton caverneux.

Les granulats ultra Iégers - Les granulats ultra-légers regroupent les matériaux tels

que la perlite, la vermiculite et les billes de polystyrène. Avec ces matériaux, on obtient

d'excellentes propriétés thermiques et acoustiques. Ils sont utilisés principalement dans

les toitures, les murs coupe-feu ou comme matériaux isolants (Corrnon. 1973).

Les agents moussants - Les agents moussants sont utilisés dans le béton pour produire

un volume d'air important. Les bétons légers architecturaux produits a partir d'agents

moussants constituent la famille des bétons cellulaires pour lesquels i l est dificile

d'identifier des propriétés spécifiques puisqu'etles varient proportionnellement au

volume d'air incorporé. Les bétons cellulaires ont généralement une masse volumique

et une résistance a la compression extrêmement faibles. L'utilisation la plus courante

des bétons cellulaires se limite au béton de remplissage dans des murs, plafonds,

planchers ou comme matériaux de remblai (Neville. 1981).

Béton caverneux - Les bétons caverneux sont obtenus en supprimant la totalité ou une

partie du sable dans le béton (Connon, 1973). Un béton ne contenant pas de sable

produit une agglomération de gros granulais dont les particules sont recouvertes par un

film de pâte de ciment d'une épaisseur de 1 à 3 mm. Cette substitution crée à l'intérieur

du béton de larges cavités (pores), responsables de la diminution de la masse volumique

et de la baisse de résistance a la compression (Neville, 1981). On obtient ainsi des

masses volumiques de l'ordre de 1600 à 1800 kg/m3 avec des résistances a la

compression de 3 a 7 MPa a 28 jours, et ce, même en utilisant des granulats

conventio~els (Dreux, 1990). Leur utilisation n'est généralement pas associée a la

recherche de la légèreté du produit, mais bien davantage pour les particularités

économiques occasionnées par la faible teneur en ciment. On les utilise pour des

ouvrages requérant des propriétés drainantes, tels les puits de captage des eaux de

ruissellement.

1 2 . 2 Provriétés recherchées des bétons destinés à la vente au détail

La section précédente a abordé la nature de l'ouvrage. il s'agit maintenant d'établir

les propriétés requises pour réaliser l'application recherchée dans le cadre de ce

mémoire. La production d'éléments en béton destinés à la vente au détail s'apparente

davantage à Ia catégorie des betons légers architecturaux. En conséquence, la

description des propriétés des betons sera davantage axée sur les éléments suivants : 1)

la faible masse volumique, 7) la durabilité, 3) la rhéologie à l'état kais et 4) les

propriétés mécaniques (résistance a la compression, module d'élasticité, etc.).

1 2.3.1 La masse volumiaue recherchée

La masse volumique du béton représente l'une des caractéristiques les plus

importantes dans le cadre de la présente recherche. En effet, la condition essentielle

pour produire des éléments en béton destinés a la vente au détail est sans contredit la

diminution de la masse volumique de la matière première, c'est-à-dire le béton. La

réduction de la masse volumique est rendue possible en changeant le type de granulat et

en faisant varier les proportions des différents constituants. La section 1.2.3.1 présente

plus en détail les éléments du dosage qui sont susceptibles de diminuer la masse

volumique.

1.2.2.2 La durabilité recherchée

Bien qu'une résistance mécanique minimale soit requise pour fabriquer des

éléments architecturaux? les conditions d'exposition conditionnent souvent la conception

du béton. En effet, les cycles de gel-dégel en présence ou non des sels fondants

représentent un aspect critique de la durabilité des bétons légers exposés aux

intempéries. 11 est important de faire la distinction entre les dew types d'attaque par le

gel, avec ou sans sels fondants, puisque les mkcanismes de détériorations sont différents

(ATILH, 1989).

Dégradation par les cycles de gel dégel - La dégradation du béton causée par le gel se

présente le plus souvent sous forme d'une microfissuration des éléments tant en surface

que dans la masse. Le mécanisme associé à la détérioration due aux cycles de gel-dégel

peut être associé, d'une part, au changement de volume de I'eau sous l'effet du gel et,

d'autre part, par la mobilisation de I'eau dans les pores vers les sites de gel sous I'effet

des phénomènes thermodynamiques (ATILH, 1989).

Dégradation par les cycles de gel-dégel en présence de sels fondants - Les

dégradations du béton sous l'action des cycles de gel-dégel en présence de sels fondants

se présentent le plus souvent par une dégradation en couche mince du béton de peau

sous forme d'écailles : l'écaillage. Les mécanismes associés a I'écaillage résultent de

deux actions : un choc thermique brutal dû au dégel et la diffusion des sels par osmose

dans la pâte de ciment hydraté. Le premier effet se produit lorsqu'on traite une surface

glacée avec un sel fondant. Ce se[ produit une fusion brutale de la glace qui consomme

alors une importante quantité de chaleur, ce qui donne lieu a un choc thermique. Cette

chaleur est empruntée au voisinage immédiat et principalement à la couche superficielle

du béton. Celle-ci se rehidi t donc brusquement en dessous de 0 OC. D'autre part, la

diffusion lente des sels à travers le béton par osmose est susceptible de développer

localement des pressions osmotiques ilevées à travers les couches d'hydrates qui jouent

le rôle de membrane semi-imperméable (ATILH, 1989).

Pour contrer les effets des cycles de gel-dégel et des sels fondants, on incorpore

au béton un agent entraîneur d'air qui a pour fonction de produire un réseau de

microbulles d'air au sein de la pâte de ciment hydraté. Ces bulles d'air microscopiques,

réparties de façon uniforme, limitent les pressions internes, induites par la présence de

l'eau dans les pores sous l'effet du gel, sous le seuil de la résistance a la traction de la

pâte. L'air entraîné joue donc essentiellement un rôle de soupape. Les recherches ont

montré qu'il faut limiter [a distance moyenne entre deux bulles d'air adjacentes, ce que

l'on appelle le facteur d'espacement des vides d'air (L), pour éviter la détérioration de la

pâte de ciment hydraté qui cède localement en tension (Pigeon, 1981).

1.2.2.3 La rhéologie recherchée à I'état frais

La rhéologie du béton à l'état Frais définit la relation contrainteldéformation du

matériau en référence à ses propriétés d'élasticité, de plasticité et de viscosité. On

qualifie la rhéoIogie du béton à l'état frais en fonction de l'énergie nécessaire à la mise

en place par rapport à la qualité recherchée du fini. En conséquence, les paramètres dont

on doit tenir compte lors du dosage relativement à la rhéologie du béton léger à I'état

fiais sont : les méthodes de moulage et de mise en place, la qualité de la finition et la

dimension des granulats et des coffrages (Kosmatka et coll., 1991).

1.2.2.4 Les ~ ro~r i é t é s mécaniques recherchées

Parmi les propriétés mécaniques, on retrouve la résistance à la compression, à la

flexion et à la traction. Ces propriétés sont des paramètres secondaires dans la

conception d'un béton ultra-léger puisque leur importance est relativement mineure pour

ce type de béton. Toutefois, on ne peut les négliger puisque tous les bétons, peu importe

l'application, nécessitent un minimum de résistance mécanique. A cet effet, la section

1.3.3.1 évoque les principes de dosage susceptibles d'influencer les propriétés

mécaniques.

Partant des deux éléments énumérés précédemment, soit la nature de l'ouvrage et Ies

propriétés recherchées du béton, on est en mesure de préciser les paramètres de dosage

du béton. Le dosage en soit consiste essentiellement à déterminer la proportion des

constituants de manière à produire le béton répondant aux qualités du béton recherchées.

Cependant, ce dosage n'est pas aléatoire puisque l'obtention des qudités recherchées

repose sur des principes (qualité de la pâte, type de granuiat, rhéologie, etc.), Iesquels

sont définis a la section suivante. Une fois ces principes établis, on peut identifier la

méthode de dosage qui correspond le mieux aux matériaux utilisés et aux conditions

d'application.

1.2.3.1 Les ~ r i n c i ~ e s de dosage

Le principe de dosage d'un béton repose sur des concepts fondamentaux reliés au

Comportement du béton à l'état frais et durci. L'étude sommaire de ces concepts va

permettre, d'une part, de mieux comprendre les mécanismes du comportement interne

du béton et. d'autre part, aider à la compréhension des concepts menant à la formulation

d'un béton ultra-léger durable.

On peut, a priori, admettre que le béton est constitué essentiellement de deux

phases : la pâte de ciment hydraté et les granulats (Kosmatka et coll., 1991). Partant de

cette représentation simplifiée de la composition d'un béton, on peut s'attendre a ce que

les principes de dosage soient grandement influencés par ces deux phases. En effet, les

propriétés du béton varient essentiellement en fonction des matériaux utilisés et de leur

dosage. Les principes de dosage font référence à quatre principaux facteurs : 1) la

qualité de la pâte de ciment hydraté, 2) la qualité des granulats, 3) la rhéologie

recherchée, 4) les propriétés mécaniques recherchées. Les trois premiers facteurs sont

similaires pour la majorité des bétons, qu'ils soient architecturaux ou structuraux, alors

que les propriétés mécaniques recherchées sont particulières aux conditions

d'application. De façon à mieux comprendre l'influence de chacun de ces facteurs sur le

dosage d'un béton, on les présente individuellement.

La pâte de ciment - La pâte de ciment représente approximativement 30 % du volume

d'un béton. Malgré cette faible proportion, la qualité de la pâte est grandement

responsable de la qualité du béton. La pâte de ciment est constituée de quatre phases

distinctes : les hydrates, les grains non hydratés de ciment, les pores capillaires et les

bulles d'air. Deux principaux hydrates résultent de l'hydratation du ciment Portland :

les silicates de calcium hydratés, les C-S-H, qui sont insolubles, et la chaux hydratée, Ie

CH, qui est soluble. Les C-S-H constituent plus de 50 % des hydrates qui donnent au

béton sa rigidité. Quant aux effets de la chaux, elle a probablement peu d'influence sur

la résistance mécanique et des discussions se poursuivent encore à ce sujet. Par contre,

son influence sur la résistance aux attaques des eaux agressives est ires appréciable

(Pigeon, 198 1).

La qualité de la pàte dans le béton est tributaire de la densité de la pâte de ciment

hydraté. Deux principales conditions sont essentielles pour obtenir une pâte dense de

bonne qualité : un faible rapport eadiant (EL) et un mûrissement humide adéquat. Le

faible rapport E L contribue au rapprochement des grains de ciment réduisant ainsi la

porosité capillaire (Pigeon, 1981). Le rapport E/L nécessaire à l'hydratation des grains

de ciment peut être aussi faible que 0,22 à 0,25. Le surplus d'eau apporté par un rapport

E/L supérieur contribue essentiellement à rendre le mélange plus malléable : rhéologie a

l'état frais. Le mùrissement favorise la formation, entre autres, des C-S-H et permet la

densification de la pâte de ciment hydraté en remplissant les pores capillaires. Pour

densifier davantage la pâte de ciment, on peut utiliser certains ajouts cimentaires, les

pouzzolanes, qui réagissent avec la chaux hydratée produite par I'hydratation du ciment

Portland pour former de nouveaux C-S-H.

Les granulats - Comme les granulats représentent à peu près 70 % du volume total d'un

béton, leur influence est significative. En effet, le granulat représente I'ossature du

béton. Les granulats utilisés doivent être composés de particules propres, dures,

résistantes et durables. De plus, elles doivent être exemptes de tout produit chimique

nuisible. La surface des particutes doit être exempte d'argile ou de tout autre matériau

fin qui pourrait nuire à l'hydratation et à l'adhérence de la pâte de ciment. Les grandats

influencent le dosage, le coût et les propriétés du béton à I'état fiais et durci. La

granulométrie, la forme, la texture, la densité, l'absorption, la résistance mécanique, la

résistance à l'abrasion, la réactivité, la propriété thermique et la résistance au gel sont

autant de caractéristiques d'un granulai qui vont influencer directement la formulation

du béton (Kosmatka et coll., 1991).

En particulier, la granulométrie et la grosseur nominale maximale d'un granulat

exercent une influence directe sur la rhéologie a I'état frais du béton. Toute variation

granulométrique modifie directement l'uniformité du béton. Par exemple, l'utilisation

d'un sable très fin est souvent peu économique puisque, pour une ouvrabilité donnée, la

teneur en ciment devra être plus grande (Kosmatka et coll., 1991). Par ailleurs, les

sables et les ganulats très grossiers peuvent produire des mélanges raides et peu

malléables. En général, les granulats présentant une granulométrie régulière donnent les

meilleurs résultats.

La forme et la texture d'un granulat influencent davantage la rhéologie a l'état

frais d'un béton fiaichement malaxé que celle d'un béton durci. Un béton fabriqué avec

des granulats dont les particules sont rugueuses, anguleuses et allongées demande plus

d'eau qu'un béton fabriqué avec des granulats lisses, arrondis et compacts. Du point de

vue de la rhéologie à I'état fiais, les particules anguleuses nécessitent donc plus de

ciment pour maintenir le même rapport eadiant. De même, les bétons fabriqués avec

des granulats anguleux ou a granulométrie très discontinue peuvent être difficiles à

pomper. Par contre, l'adhérence pâte/granulat est souvent meilleure dans le cas des

particules rugueuses et anguleuses comparativement aux particules lisses et arrondies. II

importe donc de tenir compte de ces aspects lors de la sélection des granulats pour un

béton (Kosmatka et coll., 1991).

Deux autres propriétés intrinsèques du granulat sont essentielles à la formulation

du béton : la densité et l'absorption. La densité sert au calcul du dosage des bétons. La

majorité des granulats usuels ont des densités comprises entre 2,40 et 2,90. Le volume

des vides varie généralement de 30 à 45 % pour les gros granulats et de 40 à 50 % pour

les granulats fins. Le volume des vides entre les particules va donc influencer le besoin

en pâte. Afin de pouvoir contrôler la quantité nette d'eau de gâchage et calculer

correctement le dosage du mélange, on doit aussi tenir compte de I'absorption et de

l'humidité superficielle des granulats. Le degré d'absorption d'un granulat varie

généralement de 0'2 à 2 %. De façon à respecter les quantités calculées, l'eau de

gàchage utilisée dans les bétons doit être ajustée en fonction des conditions d'humidité

des granulats, Faute de maintenir la teneur en eau constante, la résistance à la

compression. la maniabilité et les autres propriétés du béton varieront d'une gâchee à

l'autre. Ceci est d'autant plus vrai dans le cas des granulats légers où le pourcentage

d'absorption est élevé.

Les granulats doivent présenter une bonne résistance aux cycles de gel-dégel, à

l'abrasion, au retrait, aux acides et au feu. II est difficile de trouver un granulat pouvant

répondre à tous ces critères. Cependant, on peut identifier certaines caractéristiques

essentieIles d'un granulat qui sont des indicateurs d'une bonne qualité, notamment sa

faible porosité et sa dureté. En effet, un béton fabriqué avec des granulats durs et de

faible porosité sera susceptible de résister à plusieurs types d'agression.

Certaines substances peuvent être présentes dans les granulats et réagir

chimiquement avec l'un des constituants du béton. Ces substances réactives produisent :

1) des variations volumétriques importantes de la pâte, des grandats ou des deux, 2) des

entraves a l'hydratation normale du liant, 3) des sous-produits indésirables. La réaction

la plus connue est la réaction alcali-grandat (RAG) qui entraîne la détérioration du

béton lorsque des minéraux réactifs de certains granulats réagissent avec les alcalis du

ciment (Gagné, 1994).

Pour fabriquer un béton ultra-léger, il est évident que les granulats choisis, qu'ils

proviennent d'une source naturelle ou qu'ils proviennent de matériaux recyclés, doivent

ètre légers. En plus de la légèreté, ceux-ci devront également rencontrer d'autres

exigences telles que le coût, la disponibilité et les propriétés mécaniques, chimiques et

rhéologiques typiques aux granulats usuels.

La rhéologie à I'état frais - Les paramètres de dosage susceptibles d'influencer la

rhéologie sont : le rapport eaulliant, la granulométrie, la forme et la texture des granulats

et la présence ou non d'adjuvants. Le rapport eauAiant est sans doute le critère le plus

important puisqu'il définit les caractéristiques de la pâte (viscosité, seuil d'écoulement,

etc.) et qu'il joue ni plus ni moins le rôle de lubrifiant entre les granulats sous l'effet

d ' u écoulement. La granulométrie de la masse granulaire est le deuxième aspect

important pour obtenir une bonne rhéologie à l'état Frais (Kosmatka et coll., 1991). En

effet, L'utilisation d'un granulat dont la courbe granulométrique est étalée procure au

béton une meilleure homogénéité et, par le fait même, une meilleure maniabilité.

L'influence de la forme et de la texture des particules sur la rhéologie est

compréhensible, puisque les particules rugueuses et anguleuses offrent plus de résistance

à l'écoulement.

L'utilisation d'adjuvants représente un moyen de contrôler la rhéologie. Par

exemple, l'utilisation d'un agent entraîneur d'air améliore de façon substantielle la

maniabilité du béton fiais et réduit les risques de ségrégation et de ressuage

(Neville, 1981). Par ailleurs, pour des contraintes plus sérieuses, par exemple, dans le

cas d'une pâte de ciment très cohésive (EL faible) ou pour des contraintes de mise en

place critique, l'ajout d'un superplastifiant permet d'améliorer la maniabilité.

Les propriétés recherchées - Lorsqu'on cherche a concevoir un béton, il faut tout

d'abord établir les conditions d'application et, par le fait même, les propriétés

recherchées. Celles-ci se résument aux propriétés mécaniques et à la durabilité. De

façon générale, la résistance mécanique du béton est grandement attribuable à la qualité

de la pâte de ciment hydraté et à la qualité des granulats. Un rapport E 5 faible et

l'utilisation de granulats de qualité sont essentiels pour garantir de bonnes propriétés

mécaniques et une durabilité appropriée au béton. Toutefois, en ce qui concerne la

durabilité, la qualité de la pâte et des granulats est souvent insuffisante (ATILH, 1989).

En effet, l'action des cycles de gel-dégel nécessite l'usage d'un agent entraîneur d'air

pour assurer la durabilité du béton. De même, l'utilisation de ciments spéciaux peut

améliorer la durabilité du béton exposé aux sulfates.

1.2.3.2 Les méthodes de dosage

Le dosage, ou formulation, des bétons vise à déterminer la combinaison de

matériaux et de leurs proportions la plus économique et la plus pratique pour faire face

aux conditions d'application. Les méthodes de dosage sont nombreuses. Dans la

majorité des cas, elles proposent de fixer initialement un rapport E/L correspondant à la

résistance à la compression recherchée. Par la suite, les autres paramètres sont établis à

partir de concepts empiriques issus de l'expérience et diffusés sous forme d'abaques.

On dénote bien entendu quelques spécificités pour chacune des méthodes, comme par

exemple, le concept de granularité continue et discontinue. De façon générale, toutes les

méthodes de dosage conçu pour les bétons conventionnels s'appliquent au cas d'un

béton léger moyennant quelques modifications (Dreux, 1990).

La méthode retenue pour le présent travail de recherche est la méthode des volumes

absolus développée par American Concrete Insiiïute (ACI). Cette méthode est semi-

analytique et est donc basée en partie sur l'expérience, laquelle a été traduite sous forme

algébrique. Cette méthode propose de déterminer le volume de granulat fin en

soustrayant de 1 m3 le volume absolu des ingrédients connus. On calcule le volume

absolu de l'eau, du ciment et du gros granulat en divisant la masse connue de chacun par

le produit de sa densité et de la masse volumique de l'eau.

Volume (m3) = Masse du matériau en vrac (kg)

Densité x 1000 kg/ m3

A l'origine. cette méthode a été mise au point par l'AC1 pour produire des abaques et

des graphiques correspondant aux caractéristiques moyennes des bétons. Ceux-ci

pouvaient dors être utilisés comme valeurs de référence pour formuler de nouveaux

bétons pour lesquels on n'avait qu'a vérifier l'exactitude avec des gàchées d'essai en

laboratoire.

L'utilisation de granulats légers présente une contrainte importante pour le

dosage du béton. Effectivement, Ie degré d'absorption des granulats tégers est élevé,

soit environ de 15 a 30 % comparativement a 0,5 à 2 % pour les granulats usuels. La

teneur en eau d'un béton léger revêt donc une importance particulière. En effet, lors du

malaxage, une partie de l'eau de gâchage est absorbée par les granulats partiellement

saturés ce qui entraîne une variation importante de la rhéologie du béton a l'état frais.

Ce phénomène est dificile à contrôler en production puisqu'ii varie en fonction du

temps, de la porosité des granulats et de leur degré de saturation lors du malaxage. II

convient donc de saturer les granulats, avant le gâchage, et d'établir leur degré

d'humidité pour corriger la quantité d'eau de gâchage de manière à contrôler le rapport

E L (Cormon, 1973).

Dans le cas des bétons contenant des matériaux de recycIage, la documentation

ne fait pas état d'une méthode de dosage spécifique, mais donne seulement des

indications quantitatives quant a leur pourcentage d'incorporation.

1.3 Les constituants du béton

Le béton conventionnel est un matériau relativement simple à fabriquer dont les

composantes sont bien connues. Cependant, l'arrivée de nouvelles contraintes

techniques, économiques et environnementales a conduit les chercheurs a expérimenter

de nouveaux matériaux au fil des années. Cette section a donc pour but de présenter une

description sommaire des principaux constituants des bétons légers.

ont la pro

1.3.1 Les liants hvdrauliaues

Les liants hydrauliques sont des poudres minérales qui ipriété de réagir

au contact de l'eau et de former des hydrates. Déjà il y a deux mille ans, les Romains

avaient découvert le ciment lorsqu'ils s'aperçurent que Ia chaux résultant de la

décarbonatation des calcaires, mélangée avec l'eau et des pouzzolanes (terres

volcaniques faites de silice et d'alumine) donnait un mortier qui durcissait (Tapit-

Hamou, 1995).

t e ciment Portland demeure le liant hydraulique le plus utilisé au Québec. 11 est

composé de chaux (Cao), de fer (Fez03), de silice (SiO3, d'alumine (A1203), de gypse

(CaS042H20) et de magnésie (MgO). En plus du gypse, le ciment Portland est constitué

de quatre principales composantes : l'alite (C3A) et la bélite (C2S) combinées à une

phase interstitielle de (C3A) et de (CdAF) appelée autrefois célite. Au contact de l'eau le

ciment s'hydrate : c'est l'hydratation. Le processus d'hydratation, lent et progressif, est

accompagné d'une perte progressive de plasticité jusqu'au durcissement complet de la

pâte de ciment.

Depuis quelques années, d'autres types de liants sont de plus en plus utilisés tels

les ajouts minéraux. Ces ajouts sont employés en complément au ciment Portland,

puisqu'ils conferent au béton une bonification de certaines de ses propriétés. On définit

les ajouts minéraux comme étant tout matériau autre que le ciment, l'eau, les grandats

qui sont ajoutés au béton et qui ont une réaction d'hydratation avec l'eau et le ciment.

Les ajouts minéraux sont des produits naturels ou des sous-produits industriels finement

moulus dont les principaux produits d'hydratation sont des C-S-H et des hydrates

d'aluminates. L'incorporation d'une certaine quantité d'ajouts minéraux permet

d'améliorer le comportement du béton à l'état frais et durci.

11 existe trois grandes familles d'ajouts minéraux : 1) les cendres volantes, sous-

produits de la combustion du charbon dans les centrales thermiques, 2) les laitiers de

haut fourneau. sous-produits de la production de la fonte, 3) les fumées de silice, sous-

produits de la production de silicium ou de ferrosilicium (Tapit-Hamou, 1995).

Ces ajouts minéraux ont la propriété de réagir avec la chaux libérée lors de

l'hydratation du ciment Portland et de former de nouveaux C-S-H. La nature de ces

C-S-H est la même que celle obtenue de l'hydratation du ciment Portland. Seul le

rapport chaux/silice est different, largement plus important que dans le cas des C-S-H

issus de l'hydratation du ciment Portland. Cette particularité semble leur permettre

d'incorporer dans la structure de leurs hydrates des ions de differentes natures dont les

alcalis. L'appauvrissement des alcalis dans la solution tend à abaisser le pH de L'eau

interstitielle de la pâte de ciment hydraté ('Tapit-Hamou, 1995).

Dans le présent programme de recherche, on compte utiliser de la fumée de silice

dans la formulation des bétons légers. II convient donc de donner quelques informations

additionnelles sur cet ajout minéral. La fumée de silice est constituée de grains

extrêmement fins et de formes sphérique d'un diamètre moyen d'environ 0,l pm, soit

200 fois pIus petits que la taille moyenne des grains d'un ciment Portland (Kosmatka,

199 1). La b é e de silice est constituée essentiellement de S i 9 et la surface spécifique

de ces grains e n de 20 000 à 25 000 m2kg comparativement à 350 m2/kg pour le ciment

Portland (type 10). Cette très grande fiesse de la fumée de silice en fait un produit

difficile a manipuler. De plus, son utilisation dans le béton augmente la demande en

eau.

La Fumée de silice contribue à améliorer la finition et la pompabilité du béton à

l'état frais. Elle contribue également a améliorer les résistances a la compression a jeune

ige et aux âges avancés des bétons, à augmenter la résistance aux cycles de gel-dégel et

à l'écaillage en présence de sels fondants, à diminuer le degré d'absorption et la

perméabilité et à augmenter la résistance aux sulfates (Kosmatka et coll., 1991).

1.3.2 Les pranulats

Un granulat est un ensemble de particules de matière solide, provenant de roches

meubles ou consolidées ou de matériaux de recyclage ; ces particules sont de dimension,

de forme et de nature diverses.

Le rôle des granulats dans le béton ne se limite pas au remplissage. Ils agissent

également de façon tout aussi importante sur les caractéristiques physiques et chimiques

du béton. De plus, certaines propriétés du béton frais et durci sont également

attribuables aux granulats (Kosmatka et coll., 1991). Le tabIeau 1.1 montre différentes

propriétés des granulats en relation avec les propriétés du béton sur lesquelles ils ont une

influence. II est a noter que ces paramètres sont généraux et que, selon le type

d'application, leur degré d'importance peut varier considérablement. Le choix des

granulats sera donc effectué de façon à permettre la production d'un Eton ayant une

résistance et une durabilité appropriées, et ce, au plus bas coit possible.

Tableau 1.1

Caractéristiques des granulats relativement aux propriétés du béton

Caractéristiques des

granulats

Résistance à l'abrasion

Et à la dégradation

Résistance au gel-dégel

Résistance de la surface

A la désintégration

Forme et texture de la

surface des particules

Granulométrie

Masse volumique

Densité

Absorption et humidité

superficielle

Résistance aux alcalis,

Réactivité et changement

De volume

(Kosmatka et coll., 1991

Propriétés du béton Essais de contrôle

Résistance à l'usure des planchers et

sur les granulats

CSA A23.2- 16A

chaussées

Ecaillage de surface, rugosité

CSA A23 $2- 17A

CSA A23.2-9B

et perte de profil

Résistance aux conditions climatiques

CSA A23.2-22A

CSA A23.2-9A

I

Ouvrabilité du béton frais

Ouvrabilité du béton frais, économie

CSA A23.2-15A

CSA A23.2-13A

CSA A23.2-2A

Calcul des mélanges et classification

CSA A23.2-5A

CSA A23.2-10A

Calcul des mélanges

Contrôle de la qualité du béton

Résistance aux changements de volume

CSA A23.2-6A

CSA A23.2- 12A

CSA A23.2-6A

CSA A23.2- 1 1 A

CSA A23.2- 12A

CSA A23.2- 14A

CSA A23.2- 1 SA

CSA A23.2-19A

CSA A23.2-20A

CSA A23.2-21 A

1.3.3 Les ad-iuvants

Dans le béton, les adjuvants sont devenus des composants indispensables pour

atteindre les propriétés recherchées. On utilise ces adjuvants chimiques, entres autres,

pour retarder ou pour accélérer la prise du ciment, pour réduire la quantité d'eau dans la

pàte. pour fluidifier ou pour entraîner de l'air. Leurs multiples applications résultent de

leurs effets chimiques ou physiques sur les grains de ciment et sur la pâte de ciment.

Malgré cette diversité, deux catégories d'adjuvants sont plus souvent utilisées pour la

confection de bétons légers. 11 s'agit des plastifiants pour leur aptitude à fluidifier le

béton ayant un faible rapport EIL et les agents entraîneurs d'air pour contrer les effets

dus aux cycles de gel-dégel.

1.3.3.1 Les agents entraîneurs d'air

On retrouve sur le marché plusieurs agents entraîneurs d'air, mais leur

composition chimique se résument à quelques produits dont les plus utilisés sont les sels

des acides gras. L'air entraîné améliore la maniabilité du béton Frais et la durabilité du

matériaux face aux cycles de gel-dégel en présence ou non de sels fondants.

I .3.3.2 Les agents moussants

Les agents moussants sont, en quelque sorte, des supers-agents entraîneurs d'air

qui ont pour fonction de substituer des bulles d'air à une partie de la pàte et des

granulats. Cette substitution permet donc une diminution de la masse volumique. On

distingue deux catégories d'agent moussant : les CLSM (Controlled Low-Strengfh

Marerials) et Les LD-CLSM (Low-Density Controlled Low-Strengfh Materiais). Les

C L S M , qui entraînent jusqu'à un maximum de 30 % d'air, donnent des bétons de masse

volumique sup6rieure à 800 kg/m3, comparativement aux LD-CLSM qui peuvent

entraîner juqu'à 70 % d'air pour des bétons de masse volumique inférieure à 800 kglm3.

Les agents moussants sont généralement composés de protéines hydrolysées ou

de résine de savon. On les utilise dans le béton léger. La répartition uniforme des bulles

est obtenue pendant le malaxage à haute vitesse (Neville, 1981). Il existe deux procédés

d'incorporation : le premier, pour les CLSM, consiste a ajouter le produit sous forme de

poudre ou de liquide dans le malaxeur et le second, généralement utilisé pour les LD-

CLSM, consiste à utiliser un fusil a mousse, celui-ci fait mousser le produit avant de

l'introduire dans le malaxeur.

1.3.3.3 Les superplastifiants

On utilise les superplastifiants pour réduire le rapport E L , ce qui permet

d'augmenter les résistances à la compression du béton tout en améliorant sa maniabilité.

Les superplastifiants sont des produits de synthèse, fabriqués pour les besoins de

l'industrie du béton. Ils sont constitués de polymères dont la composition et la taille

sont ajustées pour optimiser l'effet dispersant. La pureté de ces produits de synthèse

permet de les utiliser à fort dosage, sans être au prise avec des effets secondaires tels que

I'entrainement d'air et les retards de prise du ciment. Cependant, leur coût est

relativement élevé.

Les superplastifiants se subdivisent en deux grandes familles, soit les

polycondensés de forrnaldéhyde et de mélamine sulfonatée (PMS) et les polycondensés

de formaldéhyde et de naphtalène sulfonaté (PNS). On retrouve également quelques

autres types tels que des lignosulfonates modifiés, des polyacrylates et des esters

(Ramachandran et Malhotra, 1984).

Les particules de ciment présentent un grand nombre de charges négatives et

positives sur leur surface. Ces charges ont tendance a floçuler en présence d'un liquide

aussi poIaire que l'eau. La formation de flocons empr i so~e une quantité d'eau

grandement supérieure à celle nécessaire au mouillage des grains. L'ajout d'un

superplastifiant va, par adsorption à la surface des grains, permettre de charger tes grains

de ciment de même signe de manière à créer une répulsion de ces derniers. Les

particules, plus mobiles, se repoussent entre elles et favorisent ainsi un empilement

optimal qui est a l'origine de la réduction d'eau.

1.3.4 Les fibres

Les fibres jouent un rôle de micro-armatures, qui s'opposent à [a propagation des

fissures dans la pâte de ciment hydraté. Elles contribuent également à améliorer de

façon très significative le comportement mécanique du béton aprés rupture. Les bétons

renforcés de fibres ont une meilleure ténacité en flexion et une meilleure résistance a

l'impact sans pour autant remplacer le rôle de l'acier d'armature dans le béton armé.

L'ajout de fibres dans le béton modifie relativement peu les résistances a la

compression et à la traction avant la rupture. Leur introduction dans le béton entraîne

par contre une perturbation du squelette granulaire. Cette perturbation est accompagnée

par une perte de maniabihe proportionnelle au dosage en fibres. Pour compenser ce

manque, on doit souvent limiter a 20 mm la dimension maximale du gros granulat et

augmenter la teneur en éléments fins (sable et pâte). Cette modification aura pour effet

d'augmenter la compacité et la maniabilité du mélange.

On trouve sur le mmhé des fibres de différents matériaux (acier, fonte,

poIypropylene, kevlar, etc.) et de formes diverses (droite, ondulée, déformée, à double

tête). Le dosage en fibres est généralement compris entre 0,35 % et l,5 % en volume

(Gagne, 1994). L'effet des fibres sur les propriétés du béton sera donc très variable en

fonction de leur dosage et de leur type.

CHAPITRE 2

GRANULATS POUR BETON LEGER

2.1 Introduction

On peut définir trois catégories de granulat, directement associées aux propriétés

recherchées du biton : 1) les granulats usuels, 2) les granulats légers, 3) les granulats

recyclés.

La fabrication d'un liéton léger repose essentiellement sur l'utilisation de

granulats légers. Considérant l'importance de ceux-ci, il convient donc d'exposer les

principales caractéristiques et les types de granulats utilisés dans la confection de bétons

légers.

2.2 Les granulats usuels

Les granulats dits usuels sont ceux que l'on utilise dans le béton d'utilisation

courante, c'est-à-dire pour les fondations, les ponts, les routes, etc.

Ces granulats sont des sables et des pierres naturels dont la masse volumique

absolue avoisine 2700 kg/m3. La masse volumique absolue est la masse d'un corps par

unité de volume de matière pleine, imperméable, sans vide entre les grains (Dreux,

1990).

Le sable à béton provient généralement de deux sources : d'une sablière naturelle

ou d'une carrière par suite du concassage d'une pierre. Ce dernier est communément

appelé sable manufacturé. La pierre, appelés aussi gros granulats, provient

génbralement de la fragmentation et du criblage de roches consolidées ou d'une gravière,

c'est-à-dire de dépôts déjà fragmentés par altération. Ces altérations peuvent avoir été

causées soit par un cours d'eau ou par le mouvement des glaciers, ce qui est notamment

le cas pour la majorité des gravières au Québec.

Il est difficile d'associer au béton des propriétés spécifiques à partir des

caractéristiques des granulats puisqu'elles varieront de manière considérable en fonction

de plusieurs facteurs importants tels que le rapport EL, la granulométrie, le type de

ciment, l'utilisation d'ajouts, etc. En effet, pour un même dosage en granulats, on peut

atteindre des résistances à la compression totalement différentes seulement en faisant

varier le rapport E/L. De même, la nature du granulat peut avoir une incidence marquée

s u les propriétés d'un béton, même si le rapport E L est constant. Notamment, le

module d'élasticité peut varier du simple au double pour un béton de rapport E/L de 027

en substituant des granulats (sable et pierre) granitiques à des granulats de grès

(Baalbaki. 1990).

2.3 Les granulats légers

Les granulats légers sont caractérisés par une structure poreuse, ce qui explique

leur légèreté. Ils peuvent être d'origine naturelle ou artificielle et ayant subi ou non des

transformations. Leur utilisation dans le béton a pour but de diminuer de façon plus ou

moins importante, selon le granulat léger choisi, la masse volumique. Par contre, cette

réduction de la masse volumique a pour conséquence de diminuer la résistance à la

compression.

Dans la documentation, on dénombre trois catégories de granulats légers : ceux

destinés aux bétons Iégers structuraux, ceux pour les bétons Iégers isolants et ceux pour

les bétons Iégers de remplissage. La figure 2.1 résume les différents types de granulats

Iégers que l'on utilise dans les différentes applications rechechées. Les normes ASTM-

C 3 3 0 Standard specijication for lighhveight aggregates for structural concrete et

ASTM-C3 32 Standard specification for fighiweight aggregates for instrlating concrete

regroupent les exigences ainsi que la description des essais de contrôle pour les granulats

et les bétons légers de structure et les bétons Iégers isolants.

. ~

Y'WT P.* US OCTON DE STWCn'RE MASE VOLUYIQUE.4PPAREhl'E A 31. ( ~ k t l 4 ~ E . i C.4IRi E.. -Yg/mm

Figure 2.1 Classification des bétons légers suivant leur masses volumique apparente et

leur utilisation (Cormon, 1973)

Les granulats ldgers pour bétons structuraux - Les bétons légers structuraux sont

fabriqués à partir de granulats de source naturel tels que les pierres ponces, les scories ou

le tuf. Plusieurs granulats légers de type expansé ou fritté sont couramment utilisés :

argile expansée, schiste expansé, cendres volantes frittées, laitiers expansés, perlite,

vermiculite. Le procédé d'expansion de ce type de granulat consiste principalement à

chauffer la matière première homogénéisée sous forme de pâte préalablement extrudée à

des températures comprises entre 1000 et 1500 O C . Cette chdeur intense a pour effet de

produire la formation d'un gaz ou de vapeur d'eau au sein de la matière forçant ainsi son

gonflement. II en découle un matériau poreux et plus Iéger.

Les granulats légers pour bdtons isolants ou de remplissage - Les billes de

polystyrène expansée, fa perlite, la vermiculite ou tout simplement des agents moussants

sont couramment utilisés pour la confection de bétons légers isolants ou de remplissage.

Les sections suivantes décrivent les différents matériaux utilisés comme source

de granulat Iéger. Pour chacun d'entre eux, on présente la composition et l'origine du

matériau, sa méthode de fabrication et les propriétés du béton confectionné a partir de ce

type de granulat.

2.3. I Argile ex~ansée

Composition et origine - Les argiles ne sont pas toutes susceptibles de gonfler sous

l'effet de Ia chaleur. En effet, seules les argiles contenant de la pyrite, de l'hématite ou

de la dolomie sont réactives. A la fin du processus d'expansion, on obtient des

particules de forme généralement arrondie, présentant une peau brune rougeâtre

enveloppant une texture alvéolaire noirâtre.

Méthode de fabrication - Certaines argiles ont la propriété de gontler sous l'action de

fortes températures de l'ordre de 1000 O C . Ce gonflement est associé à un dégagement

de gaz lié au ramollissement de la matière. Lors de la cuisson, une peau se forme par

vitrification à la surface du matériau. A la suite du refroidissement, on obtient un

granulat léger, dur, à texture cellulaire. Par concassage, on obtient des granulats de

tailles variées et dont la masse volumique apparente varie entre 300 et 1000 kg/m3.

Propriétés du béton - La figure 2.2 montre la relation entre la résistance à la

compression de bétons confectionnés à partir d'argiles expansées et leur masse

volumique. Les résultats montrent que l'on peut obtenir des bétons de résistance tout à

fait acceptable, de l'ordre de 30 à 35 MPa. Pour ce qui est des masses volumiques, elles

se situent autour de 1650 kg/m3 pour les bétons légers structuraux comparativement a

1200 kg/m3 pour les bétons légers isolants. Les autres propriétés du béton léger

confectionné à partir d'argile expansée sont présentées dans le tableau 2.1.

Figure 2.2 Variation de la résistance à la compression du béton confectionné a partir

d'argiles expansées en fonction de sa masse volumique apparente (dans des

conditions normales de conservation : 20 OC, 65 % d'humidité relative),

(Cormon, 1973)

Tableau 2.1

Propriétés du béton léger confectionné à partir d'argile expansée

2.3.2 Schiste expansé

Argile , expansCe

Composition et origine - Les schistes servant à la fabrication des granulats légers

peuvent provenir de diverses origines, soit de schistes naturels (schistes carboniferes,

houillers et bitumineux), ou de schistes plus classiques, en provenance de carrière ou

encore d'ardoise (Cormon, 1973).

Méthode de fabrication - Le procédé de fabrication des granulats légers a partir de

schistes est similaire au procédé par expansion. D'abord, on procède au broyage des

matières premières pour réduire la taille des particules de schiste à un diamètre maximal

de 800 p. Ensuite, on mélange cette poudre à 10 % d'eau pour obtenir une pâte que

l'on va extruder aux environs de 80 O C sous forme de coudes. Les nodules extrudés de 5

à 15 mm sont ensuite sichés et expansés au four à une température de 1300 à 1450 OC.

L'expansion est d'autant plus importante que la température est élevée. Par exempte, la

masse volumique en vrac est d'environ 1000 kg/m3 à 1300 O C comparativement à 380

kg/m3 pour une température de 1450 O C (Dreux, 1990).

P kg/mJ

600 1800

Propriétés du béton - Les bétons légers confectionnés a partir de schistes expansés

atteignent des masses volumiques parmi les plus élevées et, par le fait même, les

meilleures résistances a la compression. Pour cette raison, ils sont majoritairement

utilisés dans la conception de bétons structuraux. La figure 2.3 présente la fourchette de

f c (MPa)

35

A ( k c a ~ m h ' ~ )

0.20 A 0.75

Traction (MPa)

(RclRr& 4 A 8

Retrait (mmlm)

0.3 a 0,6

E (GPa)

6 8 20

Dilatation ( m m h OC)

6 A 7 * IO"

résistance à la compression en fonction des masses volumiques qu'il est possible

d'obtenir avec des schistes expansés. Les autres propriétés du béton contenant des

schistes expansés sont présentées dans le tableau 2.2.

Figure 3.3 Variation de la résistance à la compression du béton confectionné a partir de

schistes expansés en fonction de sa masse volumique apparente (dans des

conditions normales de conservation : 20 O C , 65 % d'humidité relative)

(Connon. 1973)

Tableau 2.2

Propriétés du béton léger confectionné à partir de schistes expansés

Schiste expansé

P kg/m3

800 il 1800

f c (MW IO à 50

Traction (MW

(RclRT)z 10

E @Pa) > 20

Retrait (mmlm)

0.5 à 0.7

Dilatation (mmlm OC)

6 il 7 IOd

A ( k c a ~ m b ' ~ )

0.15 h 0.6

2.3.3 Cendres volantes frittées et exuansées

Composition et origine - Les cendres volantes sont constituées principalement de silice

(50 %) et d'alumine (32 %). Ce sont des sous-produits récupérés de la combustion du

charbon pulvérisé aux environs de 1500 O C . Elles sont constituées en grande partie d'une

matière vitreuse, formée de billes creuses (sphérulites) ou pleines et de micromâchefer

de dimension généralement inférieure à 200 p.

Méthode de fabrication - La méthode de fabrication qui semble être la plus utilisée

consiste au frittage de boulettes produites par un granulateur. L'agglomération des

cendres volantes dans un granulateur est rendue possible grâce a leur propriété

Iorsqu'elIes sont sous forme de poudre humide, de s'agglomérer sous forme de billes

lorsqu'on les malaxe. Cet effet est créé par la tension superficielle entre l'eau et les

particules très fines. Une fois les granules formés, de taille suffisante, ils sont envoyés

vers le four pour le frittage. Le procédé de frittage consiste à souder entre elles les

petites particules de cendre par fusion a haute température (1300 O C ) . A la sortie du

four. on obtient un produit dont la masse volumique apparente avoisine les 800 kg/m3.

Cette faible masse volumique s'explique du fait que l'opération de frittage permet de

créer de petits espaces d'air entre les particules de cendre.

Propriétés du béton - Les bétons fabriqués a partir des cendres volantes frittées

présentent une bonne étendue de masse volumique et de résistance à la compression. A

titre d'exemple il est possible de fabriquer du béton caverneux à partir de cendres

volantes fnttées dont la masse volumique est de 900 kg/m3. On peut égaiement

fabriquer un béton structurai avec une masse volumique de 1850 kg/m3 en passant par

des mélanges avec air entraîné pour la fabrication de panneaux isolants a 1350 kg/m3.

La figure 2.4 définit la relation entre la masse volumique du béton et la résistance à la

compression. Les autres propriétés du béton contenant des cendres volantes expansées

sont présentées dans le tableau 2.3.

Figure 2.4 Variation de la résistance à la compression du béton confectionné a partir de

cendres volantes frittées et expansées en fonction de sa masse volumique

apparente (dans des conditions normales de conservation : 20 OC, 65 %

d'humidité relative) (Cormon, 1973)

Tableau 2.3

Propriétés du béton léger confectionné à partir de cendres volantes frittées et expansées

2.3.4 Laitier expansé

Cendres volantes

Composition et origine - La composition chimique des laitiers est en grande partie

constituée de silice, d'alumine et de chaux. ils sont obtenus lors de la production de la

fonte dans les hauts fourneaux.

P kg/ni3

900 il 1850

Pc (MPa) 5 il 45

Traction (MPa) 2.5 il 3.0

E (CPa)

20

h ( k ra~mh '~ )

0,15 B0.6

Retrait (mmlm)

03 A 0.7

Dilatation (rnmlrn*~)

8 * 10 "

Méthode de fabrication - Le matériau en fusion qui surnage au-dessus de la fonte en

fusion est solidifié par refroidissement rapide par injection d'air ou d'eau. L'eau

injectée sous pression produit une forte expansion par vaporisation qui donne une

structure alvéolaire. Le matériau encore incandescent est brusquement refroidi, ce qui

produit une recristallisation partielle de la matière et une première dislocation. Ce

refroidissement rapide donne naissance à des granulats alvéolaires poreux de nature

cristalline. La masse volumique apparente du granulat ainsi obtenu se situe autour de

900 kg/m3.

Propriétés du béton - La masse volumique des bétons fabriqués à partir de laitier

expansé varie de 1000 à 1800 kg/m3, selon les propriétés du sable utilisé. La figure 2.5

présente l'étendue des résultats obtenus par différents laboratoires quant à la variation de

la résistance à la compression en fonction de sa masse volumique. Les autres propriétés

du béton contenant des laitiers expansés sont présentées dans le tableau 2.4.

Figure 2.5 Fuseau regroupant les résultats obtenus par de nombreux laboratoires

français et étrangers concernant la variation de la résistance à la

compression du béton confectionné a partir de laitier expansé en fonction

de sa masse volumique apparente (dans des conditions nomales de

conservation : 20 O C , 65 % d'humidité) (Cormon, 1973)

Tableau 2.4

Propriétés du béton léger confectionné à partir de laitier expansé

2.3.5 Pierre Donce

Composition et origine - La pierre ponce est un matériau naturel d'origine volcanique.

Sa composition chimique présente une grande proportion de silice, d'alumine et

d'alcalis,

Méthode de fabrication - Aucune transformation particulière n'est requise mise à part

le concassage. La faible masse volumique en vrac (500 à 800 kg/m3) de la piene ponce

est due à la présence de bulles de gaz créées lors de sa formation.

Propriétés du béton - Les résistances a la compression du béton fabriqué avec de 19

pierre ponce sont fortement limitées par suite de la faible masse volumique de cette

dernière, indicateur d'une teneur excessive en vide. A moins d'utiliser une certaine

quantité de sable plus dense (densité 2,30 à 2,65), les masses volumiques resteront

relativement faibles. La figure 2.6 montre la fourchette de résistance à la compression

en fonction de la masse volumique apparente qu'il est possible d'obtenir. Les autres

propriétés du béton contenant de la pierre ponce sont présentées dans le tableau 2.5.

Figure 2.6 Variation de la résistance à la compression du béton confectionné à partir

de pierre ponce en fonction de sa masse volumique apparente (dans des

conditions normales de conservation : 20 O C , 65 % d'humidité relative)

(Cormon, 1973)

Tableau 2.5

Propriétés du béton léger confectionné à partir de pierre ponce

2.3.6 Billes de wlvstvrène

Composition et origine - La matière première servant à la formation des billes de

polystyrène est constituée de granules de polystyrène non expansé renfermant un

porogéne.

Poncc

Méthode de fabrication - Le porogene, sous l'action de la chaleur, passe à i'état

gazeux, ce qui provoque l'expansion. Une fois expansées, les perles peuvent avoir

P kg/mJ

750 ii l JO0

f c (MPa) 3 9 20

E (GPa) 29 10

Traction (MPa) 0.5 9 1.5

Retrait (mm/m)

I.OBL5

Dilatation (mmlm OC)

8d9* IO*

h ( k c a ~ m h * ~ )

0.40

atteint plusieurs fois leur diamètre initiai, de 0,4 à 2 mm (Cormon, 1973). Le polystyrène

présente une masse volumique parmi les plus faibles (10 à 40 kg/m3) en considération

aux autres matériaux étudiés (ACI, 1986).

Propriétés du béton - Les bétons confectionnés à partir de polystyrène ont une masse

volumique aussi faible que 550 a 800 kg/m3 selon que l'on emploie une portion de sabte

ou non. Ces bétons offient de piètres performances mécaniques : une résistance a la

compression de l'ordre de 2,O à 4,O MPa en fonction du pourcentage de sable utilisé

(Kosrnatka et coll., 1995). Il a été montré que la masse volumique de ces perles n'ont

aucun apport quant aux caractéristiques mécaniques de ces bétons (Connon, 1973). Les

autres propriétés du béton contenant des billes de polystyrène sont présentées dans le

tableau 2.6.

Tableau 2.6

Propriétés du béton léger confectionné à partir de billes de polystyrène

2.3.7 Perlite

Traction (MPa) 0.3 h 1.5

Composition et origine - La perlite est une pierre volcanique de la famille des siliceux

amorphes. Elle est composée principalement de silice (70 %) et de d'alumine (15 %).

Méthode de fabrication - Cette pierre peut augmenter son volume de 20 fois lorsqu'elle

est chauffée à des températures variant de 900 a 1100 OC. Une fois expansée et

concassée, on obtient un granulat dont la masse volumique est aussi faible que 120 à 190

kg/m3 (ACI, 1986).

E (CPa)

2

Retrait (mmlm)

1.0 A 2.0

Dilatation (mmlm OC)

t O IO9

1 (kcaI/mho~)

0,05 à 0.25

Propriétés du béton - Les bétons contenant seulement de la perlite permettent d'obtenir

des mélanges dont la masse volumique est aussi faible que 330 à 560 kg/& et dont les

résistances à la compression varient de 0'7 à 3,l MPa. En additionnant du sable au

mélange. les masses volumiques peuvent augmenter au-delà de 1000 kglm3 et accroître

ainsi les résistances a la compression de 6,2 à 17,3 MPa (Wilson, 1981). Les autres

propriétés du béton contenant de la perlite sont présentées dans le tableau 2.7,

Tableau 2.7

Propriétés du béton léger confectionné à partir de perlite

Composition et origine - On associe la vermiculite ii des micas ou à la famille des

chlorites. Chimiquement, on la regroupe dans la famille des alminosilicates de fer et de

magnésium comme les micas d'où ils proviennent par hydratation et pertes d'alcalis. La

vermiculite est d'origine naturelle et on la traite à la chaleur pour obtenir des particules

de 1 à 10 mm.

Méthode de fabrication - Le minéral extrait est concassé et séché jusqu'a l'obtention

d'une teneur en eau de 3 %. Par la suite, les granules sont chauffés à une température de

800 a 1100 T pendant 2 minutes provoquant l'exfoliation, c'est-à-dire que, sous l'effet

de la chaleur, les molCcules d'eau séparant les lamelles se transforment en vapeur et

provoquent ainsi l'expansion. Par suite de cette expansion, le volume des granules peut

atteindre 30 à 30 fois son volume initial.

A (kcaI/mhoc)

0.07 a O, 18 Perlite

E (CPa)

0.5ii1.8

P kdm'

300 ii 800

Retrait (mmlm)

Dilatation (mmfm OC)

r c (MPa)

I l 5

Traction (MPa) O.là0.5

Propriétés du béton - Les bétons confectionnés à partir de vermiculite présentent des

résistances a Ia compression très faibles de l'ordre de 0,5 à 1,5 MPa avec des masses

volumiques de 350 à 600 kglm3 respectivement. Cette piètre performance mécanique

explique pourquoi ce béton léger est utilisé avant tout pour ses propriétés thermiques

plutôt que mécaniques (Cormon, 1973). Les autres propriétés du béton contenant de la

vermiculite sont présentées dans le tableau 2.8.

Tableau 2.8

Propriétés du béton léger confectionné à partir de vermiculite

2.4 Les matériaw légers de recyclage

Un des objectifs principaux de ce travail de recherche est, non seulement de

produire un béton ultra-léger, mais également de lui incorporer des matériaux recyclés.

Les matériaux recycles légers peuvent représenter une excellente source de granulats

compte tenu du rejet quotidien d'une quantité importante de produits de consommation.

Le béton constitue donc un bon matériau pour la récupération puisqu'il est facile d'y

incorporer des matériaux recyclés lors de sa fabrication. L'utilisation de matériaux

recyclés dans le béton favoriserait, d'une part, la récupération des matériaux en

circulation et, d'autre part, la protection des ressources naturelles. Le béton ainsi produit

pourrait être utilisé pour fabriquer une multitude de produits de consommation et, par le

fait même, r e d o ~ e r une seconde vie à ces déchets. Toutefois, une expérimentation est

nécessaire pour évaluer les performances de ces matériaw recyclés comme granulats sur

les propriétés du béton à l'état fiais et durci.

Vermiculite

Tc (MPa)

l a 2

P kg/m3

300 à 800

E (GPa)

0.8 à 1.7

Traction (MPa)

0,2 à 0.4

Dilatation (mm/m OC)

8 *lo6

Retrait (mmfm)

3.0 i 4.0

X ( k c a h h o c )

0.20 ii 0.30

Il existe plusieurs types de matériaux recyclés. Cependant, compte tenu des

critères de sélection établis (disponibilité, coût, masse volumique, résistance mécanique,

etc.), deux materiaux retiennent particulièrement l'attention : les plastiques et les

caoutchoucs. La documentation concernant L'ajout de ces matériaux dans k béton est

passablement limitée et les paragraphes suivants en présentent les éléments pertinents.

2.4.1 Les ulasticiues

Composition et origine - Il existe deux groupes de plastique : tes thermodurcissables,

dont le durcissement, obtenu 5i chaud, est irréversible, et les thermoplastiques, qui se

ramollissent sous l'effet de la chaleur et durcissent au froid de façon réversible. Les

matières plastiques occupent une place importante dans l'ensemble des produits de

consommation. En 1996, près de 1 357 000 tonnes de plastique ont été consommées au

Québec, dont 322 000 tonnes en produits d'emballage. De ce nombre, 52 000 tonnes

proviennent du secteur résidentiel et 270 000 tonnes de celui des industries (Recyc-

Québec).

Méthode de fabrication - Pour les thermoplastiques, la méthode consiste à réduire les

produits récupérés en petites particules et de les faire fondre pour obtenir une toute

nouvelle résine pouvant servir au moulage de nouveaux produits. Puisqu'il est

impossible de les faire refondre, les thermodurcissables sont concassés en particules de

dimension désirée et sont utilisés comme matériaux de remplissage.

Propriétés du béton - La documentation sur le béton confectionné avec des granulats à

base de matières plastiques se concentre sur les propriétés mécaniques du béton

(Soroushian et coll., 1994). Ces recherches visent principalement à valider l'influence

d ' lm substitution du granulat fin par une matière plastique et d'en vérifier l'incidence

sur les propriétés du béton durci. Dans l'ensemble, l'ajout de matières plastiques

contribue a diminuer le retrait au séchage du béton. 11 semble que les particules de

plastique puissent agir comme renfort permettant de freiner la microfissuration au sein

de la pâte de ciment hydraté : les particules relativement plates, dont la dimension

nominale est de 1 O mm, forment un pont en travers des fissures. Une substitution de 20

% du sable par des matières plastiques améliore la résistance à la flexion du béton d'un

facteur de 4 à 5 comparativement au béton de contrôle et d'un facteur 8 lorsque ce

pourcentage passe a 40 %.

L'incorporation de matières plastiques s'est toutefois révélée néfaste quant a la

résistance à la compression. Cette diminution de la résistance peut être attribuée, d'une

part, à la diminution de la masse volumique et, d'autre part, à la faible rigidité des

matières plastiques (module d'élasticité inférieur à 1 GPa). Cependant, si l'on considère

la baisse de résistance du béton en relation avec la diminution de sa masse volumique,

on constate une légère augmentation de la résistance spécifique de ce béton. Par

ailleurs, on note un apport positif quant à la résistance aux impacts au-delà de la

fissuration initiale. Cet effet s'explique de la même manière que pour le retrait de

séchage, c'est-à-dire que les particules plastiques servent de pont à l'intérieur de la

fissure.

2.4.2 Les caoutchoucs

Composition et origine - Les caoutchoucs peuvent être utilisés dans le béton comme

matériaux de substitution a la masse granulaire. La plus grande source de caoutchouc

susceptible d'être recyclée est sans contredit les résidus de pneu. En effet, il se vend

annuellement au Québec 4,8 millions de pneus neufs, soit 4,3 millions de pneus

d'automobile et 500 000 de pneus de camion. Comme chacun des pneus de camion

représente l'équivalent de 5,8 pneus d'automobile, cela correspond a 7 millions de pneus

d'automobile. De ce nombre, on évalue que 15 % sont récupérés (revente ou

exportation), 5 % ne sont pas récupérables (conservés ou enfouis) et 80 %, soit 5.6

millions, sont disponibles pour le recyclage (Recyc-Québec). Étant donné le volume

disponible, les pneus représentent une excellente source d'approvisionnement pour la

fabrication des bétons. Les pneus sont composés d'un mélange très complexe

d'élastomères, de fibres de textiles, et de fils d'acier. Parmi ces élastomères, on trouve

en grande partie le styrène-butadiène incorporé pour ses propriétés de traction et de

résistance à l'abrasion Lee et coll. (1998). De plus, le caoutchouc offre des

caractéristiques intéressantes du point de vue de la densité et de l'élasticité.

Méthode de fabrication - Le pneu est introduit dans un appareil qui, dans une première

étape, retire la carcasse d'acier. Ensuite, le caoutchouc est déchiqueté en particules de

différentes dimensions que l'on passe a travers une série de tamis. Le tamisage permet

de classifier les particules en différentes classes (0-20 mesh, 12-20 mesh, 2.5 mm, 5,O

mm) pour répondre aux diverses applications.

Propriétés du béton - La documentation fait état de quelques essais réalisés sur des

bétons contenant des particules de pneu. Cependant, ces études ne concernent pas les

bétons légers, mais elles permettent de comprendre de façon globale l'influence d'une

incorporation de particules de pneus recyclés dans le béton.

Lee et coll. ont évalué la résistance a la compression, a la traction, a la flexion et

aux impacts de bétons au latex avec ajout de particules de pneu sur cinq bétons : un

béton de référence (SC), un béton au latex (LMC), un béton au latex avec 5 % de pneus

recyclés en remplacement d'une partie du sable (TALCF), un béton au latex et 5 % de

pneus recyclés en remplacement d'une partie du latex solide (TALCIL) et un béton avec

5 % de remplacement d'une partie du sable (SUR). Tous les bétons fabriqués avaient

un rapport EL constant de 0,45. Le latex utilisé est un styrènes-butadiène de la

compagnie Dow Chemical (densité = 1 ,O 1, concentration en solides 48 %). La taille des

particules de pneu est d'environ O , j mm. Le tableau 2.9 présente l'ensemble des

résultats sous forme comparative entre les cinq différents bétons. De façon globale, Lee

et all. (1998) concluent que:

1) la résistance du béton avec une substitution du sable par 5 % de particules de

caoutchouc (SC/R) est inférieure à la résistance du béton de rkférence (SC) :

-compression : perte de 21 %;

-traction : perte de 23 %;

-flexion : perte de 48 %;

2) les résistances a la compression, a la traction et à la flexion du béton avec latex

(LMC) sont supérieures aux résistances du béton de référence (SC) ;

3) tes résistances a la compression, à la traction et à !a flexion du béton au latex avec

une substitution de 5 % par des particules de caoutchouc (TALCK) sont supérieures

aux résistances du béton de référence (SC) ;

4) le latex est un facteur dominant pour l'amélioration de la résistance a la flexion

W C ) ;

5) dans les bétons au latex et au caoutchouc, i1 est avantageux de substituer le latex par

5 % de particules de caoutchouc (TALCIL) pour améliorer Ia résistance a Ia

compression et à la traction. Pour La résistance a la flexion il est plus avantageux de

conserver une plus grande partie de latex et de substituer les particules de

caoutchouc au granulat fin (TALCF) ;

6) Ies bétons avec latex et caoutchouc (TALC) présentent ies meilleures perfomances

aux essais d'impact.

Tableau 2.9

Indice de variation comparative de cinq bétons (conventionnel, latex. caoutchouc et deux latex-caoutctiouc)

(d'après Lee et coll., 1998)

SC : béton de réfirence LMC : béton au latex TALCJF : béton au latex avec une substitution du granulat fin par 5 % massique de particules de

caoutchouc. TALCJL : bdton au latex avec une substitution du latex solide par 5 % massique de particules de

caoutchouc. SC!R : béton avec une substitution du granulat fin par 5 % massique de particules de

caoutchouc. Base sur l'essai Charpy aptes 7 jours de mûrissement sur des prismes de 7 x 2 x 7,6 cm, charge appliquée 120 Ib-fi.

2

Goulias et Ali (1998) ont évalué le comportement d'un béton contenant 20 à 30

Résistance à la flexion

% de particules de caoutchouc dont le diamètre varie de O a 10 mm utilisées en

Résistance aux impacts*

substitution du granuiat fin. Les résultats ont montré que l'incorporation d'une trop

grande quantité de particules de pneus recyclés a pour effet de réduire les modules

dynamiques d'élasticité. Ils ont égaiement constaté une grande déformation avant la

rupture complète du béton sous charge. La figure 2.7 présente Ies courbes de

contrainteldéformation de trois bétons : un béton de référence et deux autres auxquels on

a substitué 20 et 30 % du granulat fin par des particules de caoutchouc. Cette étude

conclut qu'une substitution de 20 % du granulat fin par un volume équivalent de

particules de caoutchouc représente un compromis optimal en ce qui concerne Ies

propriétés du béton et son coût de fabrication.

Figue 2.7 Courbe de contrainte/défomation d'un béton conventionnel et de bétons

avec substitution du granuiat fin par 20 et 30 % de particules caoutchouc,

(Goulias et Ali, 1998).

Biel et Lee (1996) ont évalué le mode de rupture de bétons contenant des

particules de caoutchouc avec l'ajout d'oxychloride de magnésium, pour améliorer la

Iiaison entre la pâte de ciment et les particules de caoutchouc (0-10 mm). Dans ces

conditions, les essais de compression ont montré que la substitution du sable par des

particules de caoutchouc dans une proportion inférieure A 15 %, présente un mode de

rupture sous forme d'explosion similaire à celui d'un béton conventionnel. Cependant,

lorsque le pourcentage de substitution en particdes de caoutchouc augmente, le mode de

rupture varie pour passer de l'explosion à une fissuration lente et progressive,

proportionnellement à la quantité de substitution. Le pourcentage de substitution est

limité par le faible module d'élasticité du caoutchouc. En effet, lorsqu'on applique une

charge verticale sur une particule de caoutchouc, celle-ci se déforme. La déformation

crée un déplacement vertical qui est transposé proportionnellement dans l'axe

horizontal. Cette déformation horizontale de la particule a pour effet de créer des

tensions internes orthogonales à la charge appliquée. Cette déformation a aussi pour

effet de détruire la liaison entre la pâte de ciment et les particules de caoutchouc. II en

résulte des contraintes de traction au sein de la microstructure du béton pouvant induire

une rupture prématurée du béton. Les résultats des essais sur tes bétons contenant du

caoutchouc et de l'oxychloride de magnésium ne montrent pas d'avantage significatif

sur Ie comportement du béton aux essais d'écrasement. Ces essais ont montré que, peu

importe si l'on utilise de l'oxychloride de magnésium ou non, une substitution

supérieure à 25 % de caoutchouc par rapport au volume de sable réduisait les résistances

a la compression de 90 % (figure 2.8).

Figure 2.8 Relation entre la résistance a la compression et le taux de substitution du

sable par des particules de caoutchouc de béton avec (MOCC) et sans (PCC)

oxychloride de magnésium (rapport E/L constant de 0,57) (Biel et Lee,

1996).

CHAPITRE 3

CONCEPTION ET CHOIX DES CONSTITUANTS

POUR LA CONFECTION D'UN BÉTON LÉGER

3.1 Introduction

La conception d'un béton Iéger comporte deux phases préliminaires : la

définition des critères de conception et le choix des constituants. En effet, pour

divelopper un béton Iéger, on doit premièrement fixer des critères de conception pour

répondre aux propriétés recherchées du béton et. conséquemment, à la nature de

l'ouvrage. Deuxièmement, le choix des constituants ainsi que leur dosage approprié

permettent de garantir au béton léger des propriétés conformes aux critères recherchés.

3.2 Critères de conce~tion

Dans la perspective d'élaborer en laboratoire un béton Iéger, il convient de fixer

les critères de conception à rencontrer. 11 est difficile de fixer des limites précises quant

à la résistance, a la durabilité, à la texture ou à la rhéologie puisqu'elles sont

nécessairement tributaires de l'application choisie (type d'élément). Dans le cadre de ce

travail, on a donc fixé des critères applicables à divers types d'éléments. Les critères de

conception se subdivisent en deux catégories : les critères de conception liés aux aspects

techniques et ceux liés aux aspects économiques. Les sections subséquentes présentent

les éléments de réflexion qui ont conduit aux différents critères de conception pour la

confection d'éléments en béton Iéger destinés à la vente au détail.

3.2.1 As~ects techniaues

Les aspects techniques reliés à la conception d'un béton léger sont les paramètres

qui définissent les propriétés physiques du béton à l'état frais et durci. Ces paramètres

sont regroupés en quatre catégories : 1) la masse volumique, 2) la rhéologie à l'état fiais,

3) la durabilité, 4) la résistance mécanique.

La masse volumique - La masse volumique est sans contredit l'un des aspects

techniques les plus important de la présente recherche puisque les travaux sont axés sur

la Iégèreté des éléments de béton pouvant être manipulés manuellement. Par exemple,

on peut penser à un élément décoratif extérieur comme une boîte à fleurs de forme

cubique de 400 mm avec des parois de 20 mm d'épaisseur. Le volume de béton d'un tel

élément est de 0.016 m3. Dans le cas oii le béton utilisé pour la confection de ces

éléments aurait une masse volumique de 1000 kg/m3, la masse de l'élément serait de 16

kg. Considérant qu'il s'agit d'un élément en béton avec les propriétés qu'on lui connaît,

cette masse est, à toutes fins pratiques, raisonnable. Dans le cas d'un béton

conventionnel, la masse de l'élément serait plutôt de 38 kg. La valeur de 1000 kg/m3

représente donc une valeur appropriée quant a la masse volumique recherchée du béton.

La Iégèreté représente un aspect économique important puisque tout le potentiel

de mise en marché de ces éléments en béton repose sur le fait qu'ils puissent ètre

facilement manipulés manuellement. II est donc essentiel de minimiser autant que

possible la masse volumique du béton pour qu'il puisse servir à un nombre maximal

d'application.

La rhéologie ih l'état frais - Les critères de conception liés à la rhéologie A l'état

plastique sont fonction des conditions de mise en place, de la forme, des dimensions, du

fini et de la structure de l'élément. Bien que le béton que l'on cherche à développer ne

soit pas associé à la conception d'un élément spécifique, il est toutefois possible de

concevoir un dosage pouvant convenir à plusieurs conditions de mise en place. A priori,

on peut supposer que l'épaisseur des parois des éléments de béton à fabriquer devra être

mince, entre 10 et 20 mm. Pour cette raison, la formulation du béton doit limiter le

diamètre maximal des granulats (5 mm) et la viscosité du béton de façon à permettre la

mise en œuvre par moulage. En ce qui concerne la méthode de mise en place du béton,

il est usuel d'utiliser des vibrateurs internes. Compte tenu de I'épaisseur des parois, la

table vibrante représente un moyen intéressant puisqu'elle permet une vibration

uniforme et facilement applicable en milieu industriel. En fait, le béton doit avoir une

viscosité suffisante pour permettre un moulage facile tout en ayant une cohésion

suffisante pour éviter les phénomènes de ségrégation (séparation partielle de diverses

parties homogènes d'un alliage pendant sa liquéfaction). L'essai d'étaiement va servir

d'indicateur de la rhéologie et L'ajustement de la formulation devra être faite par suite

des observations faites en laboratoire. Dans ce projet, un aspect important demeure le

type de finition de la surface. A priori, aucun critère spécifique de la finition de la

surface ne sera fixé puisque, d'une part, il s'agit d'une étude exploratoire et que, d'autre

part. cet aspect peut, dans bien des cas, être maîtrisé par le type de moule utilisé et par

les conditions de moulage.

La durabilité - La notion de durabilité est associée a la résistance du béton face aux

cycles de gel-dégel ou de mouillage-séchage. Les bétons architecturaux sont souvent

soumis à des conditions d'exposition sévères, ce qui doit être pris en considération lors

de la formulation. Dans la perspective d'une étude exploratoire, on se limitera d'abord a

évaluer la durabilité au gel. Pour ce faire, on définit le critère de conception quant à

l'écaillage (BNQ 262240) en une perte de masse maximale de 1,O kglm2 lorsque des

éprouvettes de béton sont soumises à 25 cycles de gel-dégel en présence de sels

fondants. Le critère de résistance interne (ASTM-C666) pour des prismes de béton

soumis à 300 cycles de gel-dégel est un allongement maximal de 250 @m.

La résistance mécanique - La résistance mécanique représente un critère de conception

important. Généralement, on admet que la résistance à la compression est un bon

indicateur des propriétés mécaniques d'ensemble du béton à l'état durci (résistance à la

traction, à la flexion et aux intempéries). La résistance a la compression représente

également un critère de conception du béton assurant l'intégrité structurale de l'élément

fabriqué. Compte tenu qu'il s'agit d'applications architecturales, une résistance à la

compression d'environ 10 MPa et une résistance a la traction de 1,O MPa (mesurée par

l'essai brésilien) semblent appropriées.

3.2.2 Aspects économiaues

Dans I'ensemble, le choix des constituants est défini en fonction de trois

éléments : 1) leur disponibilité sur le marché, 2) le coût de revient, 3) I'applicabiiité en

milieu industriel. Dans le présent programme de recherche, on a limité le critère de

conception associé aux aspects économiques au coût des matières premières.

Globalement, le cout des matières premières devrait être le plus faible possible, tenant

compte du prix unitaire de chacun des constituants utilisés. Un coût de 200 $lm3 de

béton semble a priori raisonnable. Ce coût peut paraître élevé, mais compte tenu des

propriétés et du faible volume de béton requis pour la confection des éléments, il

demeure justifié. Par exemple, avec un prix de revient de 200 $lm3 de béton, le coût de

la boîte à fleurs présentée précédemment serait de 3'20 $.

3.2.3 Svnthèse des critères de conception

Le sommaire des différents critères de conception présentés précédemment sont

regroupés dans Ie tableau 3.1. Pour chacun d'eux, on a associé les conditions d'usage à

des limites d'acceptabilité.

Tableau 3.1

Synthèse des principaux critères de conception

- Massr

volumique

thtologie d

I'Çtat frais

Résistance

mtcaniquc

Dunbilitt

CRITÈRES DE CONCEPTlON

CONDITIONS

D'USAGE INDICATEURS VALEURS

CIBLES

MatCriaux Itgtrs pour ln

wnfcction d'éltmcna Massc volumique 1000 kg

destin& 3 la vente au dttail (ASTM C185)

ElCrntnts moults avec parois Etalemtnt

dc 10 d 20 mm (ASTM C230) Pour fin de contrdfc

Misc cn place par tablc Une bonne cahtsion

vibranie Visutl sons stgrtgation

Eltmcnis non sinictumwt f, 10 MPa

hsurer I'iniÇgriir! en cas dc (ASTM C39) 128 jours

Iissumtion, rtsisruicc 3 la Brbilien 1 MPI

lraction (ASTM C 496) à 28 jours

Flexion

(ASTM C78) Aucune

RcSismcc aux cycles dc Allongcmcnt 250 ptrain

gelilégcl 1 Module dynamique 1 60% du modulc milid

Nombre de cycles 300 cycles

(ASTMC666)

(BNQ 2622-420) (25 cycles)

3.3 Choix des pranulats

Comme on l'a vu au chapitre 1, outre le type de granulat ou l'utilisation d'wi

agent moussant, les constituants utilisés dans la confection des bétons légers sont les

mêmes que ceux utilisés pour les bétons conventiomels. En définitive, la principale

caractéristique recherchée est davantage axée sur sa masse volumique que sur sa

résistance mécanique. Puisque le granuiat occupe une partie importante du volume dans

le béton, il faut donc tenter de substituer une partie de la masse granulaire par des

granulats légers et même ultra-légers. Par ailleurs, les caoutchoucs et les plastiques de

recyclage présentent des caractéristiques intéressantes pour produire des bétons ayant

une bonne durabilité et une faible masse volumique. Ces matériaux de recyclage

représentent donc une source de granulat potentiellement intéressante à étudier.

3.3.1 Choix du wanulat léger

Compte tenu de La masse volumique recherchée (1000 kg/m3), les granulats

utilisés pour fabriquer des bétons isolants (voir figure 2.1) représentent une source

intéressante de matières premières. Au Québec, les matériaux généralement utilisés

pour produire des bétons isolants sont les billes de polystyrène, la perlite ou les agents

moussants.

Polystyrène - Les billes de polystyrène offrent une masse volumique apparente

comprise entre 10 et 40 kg/m3. Les propriétés thermiques et acoustiques des bétons

confectionnés à partir de billes de polystyrène sont intéressantes. Le principal

désavantage lié à i'utilisation des billes de polystyrène dans le béton vient du fait

qu'elles ne contribuent pas a la résistance mécanique du béton.

Agent moussant - Les agents moussants n'ont pas été retenus comme constituant du

béton Iéger recherché parce que, d'une part, leur comportement est difficile à contrôler

et, d'autre part, les bulles d'air incorporées dans le béton sous l'action de l'agent

moussant risquent de compromettre la durabilité du béton.

Perlite - Le coût de la perlite est similaire a celui des billes de polystyrène, mais sa

masse volumique apparente est de trois a quatre fois plus grande. Du point de vue

mécanique, les bétons constitués avec de la perlite ofient une performance légèrement

supérieure à celle des bétons confectionnés avec les billes de polystyrène. Un des

désavantages importants de l'utilisation de la perlite est le degré d'absorption élevé qui

peut causer un retrait de dessiccation important en plus de compliquer le dosage. Un

second désavantage aaribuable a la perlite est sa disponibilité. En effet, on retrouve un

seul distributeur de perlite dans la région métropolitaine dont le gisement est situé en

Gréce.

Dans le cadre de ce travail, les billes de polystyrène ont donc été retenues

pour confectionner des bétons légers considérant leur faible masse volumique, leur

disponibilité et leur facilité d'utilisation.

3.3.3 Choix du nranulat recyclé

Comme on l'a souiigné au chapitre 2, les piastiques et les caoutchoucs ont f i t

!'objet de plusieurs recherches. Bien qu'elles ne reflètent pas spécifiquement tous Ies

aspects de la formulation d'un béton Eger pour la confection d'éléments destinés à la

vente au détail, elles ont toutefois permis de cerner les principales propiétés du béton

que l'on est susceptible d'obtenir avec ces matériaux. Les propriétés mécaniques des

bétons confectionnés à partir de plastique ou de caoutchouc recyclés sont passablement

les mêmes : 1) une meilleure résistance aux chocs, 2) une meilleure résistance à la

flexion. Pour ces deux produits, les recherches ont montré que leur utilisation doit

toutefois être limitée à de faibles proportions, soit de 15 a 20 % de la masse du granulat

fin.

Plastique - Les plastiques utilisables comme granulat artificiel sont couramment

disponibles depuis iongtemps. Par contre, leur prix de base (1 $/kg) n'est pas très

avantageux comparativement au caoutchouc (0,43 $/kg). De plus, le prix du plastique

est aléatoire puisqu'il fluctue au même titre que celui des résines en fonction des

marchés boursiers. Dans une perspective de production industrielle, il n'est donc pas

avantageux d'utiliser ce type de produit dont le prix est instable.

Caoutchouc - Les résidus de pneus représentent une source intéressante de matières

premières utilisables dans la confection de bétons légers en substitution aux granulats

conventionnels. Le prix des résidus de pneu est somme toute abordable puisqu'il est de

deux à cinq fois plus faible que celui des plastiques. Par ailleurs, dans une perspective

de préservation de l'environnement, l'utilisation dans le béton de résidus de pneu peut

contribuer à la récupération de matériaux polluants. La société québécoise préconise de

plus en plus l'utilisation, sous diverses formes, de pneus recyclés plutôt que d'enfouir ou

de stocker ces matériaux. Ainsi, les entreprises ont maintenant intérêt à investir dans la

récupération des pneus, ce qui entraîne une plus grande diversité de fournisseurs pour les

acheteurs potentiels, apportant ainsi tous les avantages de la concurrence (prix, qualité et

service). De plus, la disponibilité des résidus de pneu est garantie puisqu'il s'agit d'un

produit de consommation d'usage commun. Pour ces raisons, et principalement pour

le prix, des résidus de pneu seront utilisés dans le présent programme de recherche.

3.3.3 Svnthèse du choix des manulats

Avant de s'attarder au dosage, on a procédé à la sélection des granulats. Le

tableau 3.2 présente, pour chacune des catégories de granulat, le type choisi ainsi que la

justification de ce choix.

Tableau 3.2

Sommaire des granulats retenus pour la confection d'un béton léger

1 Type de granulat 1 Type choisi 1 Justification I I

Conventionnel

Léger

Sable 1 Résistance mécanique, consistance et fini de surface

Recyclé

Polystyrène Légèreté, disponibilité et propriétés thermiques et

acoustiques

Caoutchouc Disponibilité, légèreté et coût

3.4 Dosage

Les paramètres de dosage ont déjà été définis a la section 1.2.3. Il convient

maintenant de calculer la proportion de chacun des constituants de manière à produire le

béton léger en laboratoire répondant aux qudités recherchées. La méthode de dosage

choisie, en l'occurrence celle des volumes absolus, permet d'équilibrer le mélange.

Cependant, elle ne fournit pas d'indice quant aux proportions nécessaires pour obtenir

les résultats escomptés dans le cas des bétons légers.

Dans le cadre de cette recherche, on ne peut pas utiliser les abaques développés

par l'AC1 puisqu'il n'y pas de spécification pour les bétons Iégers avec des granulats tels

que le polystyrène et le caoutchouc. Par conséquent, les proportions initiales ont donc

été choisies en posant certaines hypothèses relativement aux notions énoncées au

chapitre I sur les principes de dosage. À l'exception des matériaux granulaires (sable,

polystyrène et caoutchouc), les sections suivantes définissent et justifient la proportion

de chacun des constituants fixée pour le dosage initial. Le tableau 3.3 présente la

synthèse de ces hypothèses pour chacun des constituants.

Tableau 3.3

Dosages et hypothèses de départ pour la confection du béton léger

Afin d'obtenir une masse volumique très faible, on se doit d'utiliser une portion

importante de granulats très légers. Malheureusement, ceux-ci ont une piètre résistance

mécanique. Pour compenser cette lacune, la pâte doit avoir une qualité exceptionnelle.

Comme on I'a indiqué au chapitre 1, la qualité d'une bonne pâte de ciment se définit a

priori par un faible rapport EL et une quantité suffisante de liant. Pour ces raisons, un

rapport EL de 0,30 est indiqué, compte tenu de la résistance et de la maniabilité

recherchées. Un tel rapport EL est couramment utilisé pour la confection de bétons a

haute performance.

3.4.2 Le liant

Symboles

C

FS

E

C,

S

PL

SP

EA

Le liant choisi est à base de ciment Portland combiné a de la fumée de silice. La

proportion de fumée de silice est de 8 % de façon a être représentative des produits

*Volume d'air cible : 5 10 %

COÛT Coostiiuants

Ciment

Fumée de silice

Eau

Caoutchouc

Sable

Polystyrene

Superpiastifiant

Entraîneur d'air

Symboles

C'

FS'

E'

Ca'

S'

PL'

SP'

EA'

Dosage

( WmJ)

460 kg

40 kg

150 kg

C,=S*O,15

?

?

18 L

2,j L *

$

O, 15

0,27

0'00

0,43

0,O 1

3,90

1'75

1,20

$ k g

$IL

Densité

pc

PFS

PE

pca

Ps

PPL

PSP

PEA

3,15

2.22

1'00

1'20

2'68

0,04

1.2 1

1,00

pré-mélangés en usine, ce qui a pour avantage de mi~miser les manipulations au

malaxage en plus d'assurer une meilleure homogénéité. Compte tenu des dosages usuels

pour les bétons à haute performance, le dosage totai en liant est fixé à 500 kg/m3 de

façon à offrir une pâte suffisamment dense et durable.

3.4.3 L'agent entraîneur d'air

Les billes de polystyrène n'ont pas la capacité de jouer le rôle de l'air entraîné

pour protéger le béton contre les effets du gel. L'ajout d'un agent entraîneur d'air est

requis et le dosage exact est déterminé en laboratoire de façon a obtenir une teneur en air

comprise entre 5 % et 10 %.

Pour les bétons de faible rapport EL, il est usuel d'utiliser un superplastifiant.

Un dosage initial de 12 ~ / r n j est nécessaire pour obtenir une rhéoiogie acceptable.

3.4.5 Les fibres

Des fibres sont ajoutées au mélange dans le sed but d'en vérifier l'incidence sur

les propriétés à l'état Frais et durci du béton léger. Elles ne seront également pas

considérées dans le calcul du dosage. Le choix du type de fibres utilisé tient compte de

la légèreté, de la finesse, de la résistance, du coût et des contraintes de mise en place. Il

s'agit d'une fibre de fonte résistante et très mince dont la densité est relativement faible

pour une fibre métallique. Cette faible densité a pour avantage de minimiser la quantité

nécessaire pour obtenir une bonne distribution dans l'ensemble du béton. Le dosage en

fibres est fixé à 3 kg/m3 pour tenir compte du coût et des contraintes de mise en place.

3.4.6 Dosane manulaire

A partir des dosages fixés pour le liant, l'eau et les adjuvants, on peut définir les

dosages en sable, en polystyrène et en caoutchouc de façon à répondre aux critères de

conception de la masse volumique et du coût du béton. Ces critères peuvent être décrits

algébriquement par les équations 3.1 et 3.2.

Optimisation de la masse volumique du mélange :

Optimisation du coût des constituants : (3.2) *

(CxC') + (FSxFS') + (WxW1) + (C,x C,') + (SxS*) + (PLxPLt) + (SPxSP9) + (EAxEA') = ZOO %/m3

Sable - Le dosage en sable dans le mélange va combler fa discontinuité granulaire qu'il

y a entre le diamètre des grains de ciment et de polystyrène. Cette discontinuité ne peut

être comblée entièrement par le caoutchouc, compte tenu de la faible quantité utilisée.

Quant au dosage exact de sable nécessaire, il doit être établi à partir des équations 3.1 et

3.2 qui représentent un compromis entre les contraintes de masse volumique et de coût.

Polystyrène - Le dosage de polystyrène nécessaire est important compte tenu de la

faible masse volumique recherchée. En effet, un béton de masse volumique de

1000 kg/m3 ne peut être obtenu qu'en utitisant une proportion importante de granulat

ultra léger d'autant plus que la masse de liant fixée au départ est de 500 kg/m3, ce qui

correspond à seulement 16 % du voIume total. Le dosage en polystyrène requis est

difficile à évaluer et ne peut être fixé aléatoirement. Pour cette raison, les équations 3.1

et 3.2 permettent d'optimiser la quantité nécessaire.

Caoutchouc - Comme on l'a vu au chapitre 1, on recommande de limiter le dosage en

caoutchouc. Puisque des granulats ultra-légers (billes de polystyrène) sont utilisés, il est

plus avantageux de minimiser la quantité de particules de caoutchouc, de façon it ne pas

avoir d'effet trop néfaste sur la résistance à la compression. On préconise donc d'utiliser

comme valeur de départ du dosage en caoutchouc une proportion de 15 % de la masse

du sable.

Étant donné l'interaction entre le dosage en polystyrène, en caoutchouc et en

sable, les équations 3.1 et 3.2 représentent un système a deux équations, deux inconnues,

que l'on peut résoudre par substitution. On obtient des dosages respectifs de 18,4 kg

pour le polystyrtitne, de 270,6 kg pour le sable et de 40'6 kg pour le caoutchouc. La

synthèse du dosage initial théorique est présentée dans le tableau 3.4.

Tableau 3.4

Dosage initial théorique

1 1 Qté (kg/,? 1 Densité 1 Volume ( ~ m ' ) I~oiîthnitair 1 coiUtota1 (

OPTIMISER 1 1000 kg 1-1 * n'incluant pas l'eau du superplastifiant.

3.4.7 Gâchage en laboratoire

L'optimisation du dosage de ces constituants ne tient pas compte des conditions

optimales du point de vue rhéologique. Pour cette raison, il convient d'effectuer

quelques bétons en laboratoire, dont les résultats sont présentés à l'annexe A, pour

valider ou ajuster ces dosages. Le dosage initial théorique présenté dans le tableau 3.4

devient donc, à la suite des essais en laboratoire, le dosage optimal pratique du tableau

3.5 devant servir à l'élaboration du programme expérimental.

Tableau 3.5

Dosage optimal pratique

OPTIMISER 1 1000 kg 1 * n'incluant pas l'eau du superlastifiant.

CHAPITRE 4

PROGRAMME EXPÉRIMENTAL

A la lumière de la revue de la documentation, plusieurs études portent sur les

bétons légers. Toutefois, aucune d'entre elles ne fait l'objet de bétons avec matières

recyclées pour la confection d'éléments en béton ultra-léger. Certes, il existe certaines

études sur l'incorporation de pneus recyclés dans le béton (Biel et Lee, 1996 ; Lee et

coll.. 1998 ; Goulias et Ali, 1998). Cependant, ces dernières avaient pour but d'étudier

l'influence du pourcentage d'incorporation des matières recyclées sur des propriétés

mécaniques de bétons de masse volumique usuelle (2000 à 2400 kg/m3). Or, il reste à

voir de façon plus spécifique quelle sera leur incidence sur les propriétés d'un béton

Iéger : l'influence sur la masse volumique, sur la résistance à la compression, sur la

durabilité et sur le coût. En définitive, la revue de la documentation et la définition des

critères de conception ont permis d'élaborer un dosage initial théorique pour un béton

Iéger pouvant répondre aux objectifs du présent travail, c'est-à-dire la fabrication

d'éléments en béton Iéger destinés à la vente au détail.

A partir d'un processus expérimental, il convient maintenant de valider et de

préciser les dosages du béton léger recherché. L'élaboration d'un programme

expérimental structuré en laboratoire s'impose pour deux raisons : 1) ajuster Le dosage

initial théorique afin de définir un dosage optimal pratique relativement aux

propriétés rhéologiques recherchées; 2) vérifier la performance et la sensibilité du

dosage optimal pratique quant aux critères de conception définis à la section 3.2

(tableau 3.1).

Le programme expérimental vise à évaluer la sensibilité du dosage optimal

pratique proposé en faisant varier des facteurs clés relativement à la performance et au

coût pour établir leur incidence sur les critères de conception. Bien entendu, on doit

attribuer a ces facteurs des limites acceptables à l'intérieur desquelles on veut vérifier

leur incidence. Ces limites doivent être, dans la mesure du possible, ni trop grandes,

pour ne pas dépasser la région intéressante, ni trop petites, sinon elles risquent d'être

imprécises.

Le tableau 4.1 présente les critères de performance et les facteurs clés retenus

dans le cadre de ce programme expérimental. Trois facteurs ont été retenus : le rapport

EIL, les dosages en caoutchouc et en fibres. Le tableau 4.2 donne les niveaux d'étude

des facteurs clés pour élaborer un plan d'expérience factoriel à deux niveaux (2'). Ce

plan factoriel va permettre de déceler les paramètres significatifs et leur degré

d'interaction. Le plan d'expérience se résume à la confection en laboratoire des huit

bétons tels que donnés dans Ie tableau 4.3.

Tableau 4.1

Paramètres du programme expérimental

CRITERES DE PEWORMANCE

Maniabilité

Masse volumique

Teneur en air

Résistance a la compression

Module d'élasticité

Résistance a la flexion

Essai brésilien

Résistance au gel-dégel

Résistance a l'écaillage

Coût

FACTEURS CLES

Rapport E/L

Quantité de caoutchouc

Quantité de fibres

Tableau 4.2

Niveaux d'influence des facteurs clés

FACTEUR CLE

en réference ii la masse de sable 1 O I 70

Rapport WL

% de particules de caoutchouc exprime

NIVEAU D'INFLUENCE

Tableau 4.3

Plan d'expérience 23

Limite inférieure

027

Quantité de fibres (kg/rn3)

Limite sripéneure

0,32

O 3

CHAPITRE 5

DESCMPTION DES MATÉRIAUX ET DES BÉTONS

5.1 Introduction

Ce chapitre présente la caractérisation des matières premières utilisées ainsi que

la description des bétons confectionnés pour la mise en application du programme

expérimental.

5.2 Caractérisation des matières memières

La caractérisation des matières premières est structurée de façon à fournir les

caractéristiqlies principales des matériaux. 11 est a noter que les prix présentés servent

d'indice pour établir le coût du béton.

De manière à respecter l'objectif de départ, c'est-à-dire d'utiliser des produits

d'usage courant, le ciment choisi est un ciment Portland type 10. Le ciment utilisé est

produit par la compagnie Ciment St-Laurent et fabriqué à son usine de Joliette. La

fumée de silice, non agglomérée, provient de la compagnie SKW de Bécancour. Les

caractéristiques physico-chimiques du ciment et de la fumée de silice sont données dans

les tableaux 5.1 et 5.2.

Le prix au détail de ces matériaux est de 150 $/tome pour le ciment de type 10 et

270 $/tonne pour la fumée de silice. Quant au produit prémélangé en usine (ciment type

1 OSF), son prix de détail est d'environ 170 $/tonne. Pour des raisons de disponibilité, le

ciment et la fumée de silice ont été utilisés séparément pour la confection des bétons.

Tableau 5.1

Caractéristiques physico-chimiques du ciment de type 10

Analyse chimique (%) I Propriétés physiques 1 m

Alcalis (NazO équi.) 1 0,78 1 Finesse Blaine (m2kg) 1 384 1 I 1

Pertes au feu (P.A.F.) 1 I

Composition de Bogue (%)

Insolubles 1 1 I

Temps de prise initiale (Vicat)* 1 170 min 1

Finesse passant 45 pm (%)

0,5 1 Stabilité à l'autoclave (%) 1 -0,02

C h a u libre

Temps de prise finale (Vicat)' ( 280 min 1

92

0.4 1 Résistance aux sulfates (%) 1 -0,003

Teneur en air (%)

Fausse prise (%)

Résistance à la compression (MPa) 1

Ces résultats d'essai satisfont toutes les exigences de la norme en vigueur CSA-A3000lA5-98.

c3s C2S

, C3A

C4AF

'Essai sur mortier

RÇsultats d'essais pour la période de production de janvier 1999 provenant de l'usine de Joliette.

62,7

11,3

5'6

875

À 3 jours

À7jours

A 28 jours

35,O

31,3

40,3

Tableau 5.2

Caractéristiques physico-chimiques de la fumée de silice

Propriétés physiques 1 Si02

Fez03

A1203

Ca0

M g 0

NazO

KzO

C

S

P.A.F. *

Surface spécifique (rn2lg) 1 18-20 1 96,s

2,O

0,5

0'8

099

0,4

2,o

2'7

O,?

3,5

Rdsultats conformes ii la nonne C

* Pertes au feu.

1

Densité 1

2'22

Masse volumique apparente (kglm3) 1

I 250 - 300

J

Analyses chimiques (%)

Finesse (0 moy) (pn)

L'eau utilisée pour les bétons est celle de l'aqueduc municipal sans aucun

traitement particulier, si ce n'est un conditionnement à une température de 20 OC.

Compte tenu qu'il s'agit d'une eau propre à la consommation, il est inutile de procéder a

des essais de la qualité. Au Québec, le prix de l'eau peut être négligé puisque le tarif

exigé par les municipalités est dérisoire comparativement aux autres constituants du

béton.

-

-

- -

O, 1 - 0,2

Pourcentage passant 45 pm (%)

Forme des particules

Structure cristalline

-

-

-

-

95 - 100

Sphérique

Amorphe

I

SA

5.2.3 Entraîneur d'air

L'agent entraîneur d'air utilisé est le Micro-air de la compagnie Master Builders.

Ce produit est reconnu sur le marché des bétons prêts-a-l'emploi pour son aptitude a

former des bulles d'air microscopiques et stables. Les données techniques fournies par

le manufacturier sont présentées dans le tableau 5.3. Quant aux normes applicables, le

produit rencontre les spécifications des normes ASTM C260 et CSA A 266.1. Le prix

de vente est d'environ 1,20 $/L. Le produit est disponible en contenant de 200 litres ou

en vrac. Le dosage recommandé est de 120 rnL par 100 kg de ciment. Cependant, des

essais préliminaires ont montré qu'un tel dosage est insuffisant. Après essais en

laboratoire. il a été convenu d'utiliser wi dosage d'environ 2,5 ~ / r n ~ . Cette surdose

semble nécessaire pour contrer les effets néfastes que semble avoir le caoutchouc sur

l'efficacité de I'agent entraîneur d'air.

Tableau 5.3

Propriétés de l'agent entraîneur d'air

Propriétés physiques Apparence Point de congélation ( O C )

. - - 1 - - 7 -

Odeur Acide gras 1

Valeurs Liquide brun foncé

-2 Point d'ébullition (OC) Solubilité dans l'eau (%) Densité s~ecifiaue

Le superplastifiant utilisé est de type sulfonate polycondensé de naphtaiene

(SPN) de la compagnie Master Builders. Il répond aux exigences de la nonne ASTM

C494 type F. Les données techniques du superplastifiant sont présentées dans le tableau

105 1 O0 1 ,O2

r

5.4. Le coût du superplastifiant est de 1,75 $A,, ce qui est raisonnable lorsqu'il est

utilisé dans des proportions prescrites par le manufacturier.

Tableau 5.4

Propriétés du superplastifiant

1 Propriétés physiques 1 Valeurs I Apparence Point de condation (OC1

l Odeur I Aromatiaue I

Liquide brun foncé -5

Point d'ébullition (OC) Densité spécifique PH

5.2.5 Caoutchouc

1 00 1,20 8 s

Les particules de caoutchouc proviennent du recyclage de pneus, principalement

de pneus de camion. Le fournisseur est la compagnie SCOPCAT de Lavai, une

entreprise spécialisée dans le recyclage des pneus. Seule la granulométrie a été

transmise par le fournisseur. La valeur de 1,2 a été utilisée pour la densité du matériau,

laquelle a été établie en référence aux valeurs usuelles présentées dans la documentation.

Compte tenu que les particules de caoutchouc doivent être considérées comme un

substitut du sable, leur granulométrie doit s'apparenter à celle du sable. Pour ce faire, on

a mélangé deux classes de particules offertes par le distributeur, soit le 0-20 mesh et le

13-20 mesh dans des proportions respectives de 65 % et de 35 %. Les granulométries de

ces deux classes de particules et le combiné sont présentés dans le tableau 5.5. La

granulométrie du combiné rencontre les spécifications d'un sable a béton CSA A23.1.

Le prix de vente des particules de caoutchouc est fixé, tout comme pour la pierre,

en fonction de sa fuiesse. A titre d'exemple, le prix du 0-20 mesh est de 0,49 $/kg

comparativement à 0,33 $/kg pour la classe plus grossière 12-20 mesh. Pour ce qui est

du combiné utilisé le prix de revient est de 0,43 $kg.

Tableau 5.5

Granulométrie des particules de caoutchouc

Les billes de polystyrène proviennent de la compagnie Franzyl de Terrebonne,

spécialisée dans La fabrication de produits isolants pour le marché de la construction et

des emballages. Les billes de polystyrène expansé ont un diamètre qui varie de 1 a 2

mm. Le tableau 5.6 présente les propriétés typiques du polystyrène expansé (EPS)

fabriqué a partir des billes de polystyrène. Le prix des billes de polystyréne est de 3,90

$ k g .

Tamis

10 mm 5.0 mm 2 , j mm 1 2 5 mm 630 pm 315 pm

- ~

Tamisat (%)

160 pm 1 O 80 pm t 0,4 O

0-20 mesh (A) 1 O0 1 O0 100 100 8 1 16

CombinL (65 OhA+35 %B)

1 O0 99 96 77 56 1 1 i

0,3

' 12-10 mesh @) 100 97 87 35 1 O 2

Fuseau CsA Q3.1

IO0 - 100 100-95 100 - 80 85 - 50 60 - 25 30 - 10 10-2

1

Tableau 5.6

Propriétés physiques du polystyrène expansé (EPS)

Propriétés Conductivité thermique 125F Facteur K 1 4OF

à 7SF Résistance thermique à 25F Valeur ( R ) à 40F

A 70F Résistance ii la compression A 1 O % de dtformation Flexion Traction Cisaillement Module de cisaillement Module d'klasticité Perméabilitd à la vapeur d'eau WVT Absorption d'eau par volume Capillarité Coefticient de dilatation thermique Gamme de températurecontinue Long terme Intermittent

d'épaisseur

Les donntks ont C t i fournies par BASF Wyandotte Corporation.

Résultats 0.23 0.24 0.26 4,35 4,17 3,85

10-14 25-30 16-20 18-21 280-320 180-220 1,- - 3.0 moins que 2,5 aucune 0,000035

167 180

5.2.7 Sable

Le sable utilisé provient du banc Lépine B St-Félix-de-Valois. II s'agit d'un sable

de silice ayant une densité sèche de 2.68 et un taux d'absorption de 0,71 %. Le tableau

5.7 présente la granulométrie du sable dont la granularité est conforme aux exigences de

la norme CSA A23.1. On retrouve également dans le même tableau la granulométrie

combinée du sable et du caoutchouc dans les proportions de 80 % et de 20 %.

Tableau 5.7

Analyse grandométrique du sable et du combiné sable-caoutchouc

5.2.8 Fibres

Tamis

10 mm 5 mm

?,5 mm 1,25 mm 630 prn 315 pm 160 pm 80 pm

Les fibres utilisées sont des fibres de fonte : FIBRAFLEX de SEVA (groupe

Saint-Gobain). La fibre de fonte est obtenue par trempe à l'eau d'un jet de métal liquide

Tamisat ( O h )

en rotation sur une roue a grande vitesse. Cette trempe donne une structure amorphe

(non cristalline), ce qui confère aux fibres une bonne souplesse et une grande résistance

mécanique. De plus, l'état amorphe permet, avec la présence du chrome, d'obtenir une

Fuseau CsA ,423-1

100 100 100 95 100 80 85 50 60 25 30 10 10 2

excellente résistance à la corrosion. Les caractéristiques techniques des fibres de fonte

sont présentées dans le tableau 5.8 et le tableau 5.9 présente les différents modèles

(80 O h A - 20 % B) 1 O0 97 86 74 5 3 2 1 6

1'7

Sable (A) 100 96 84 73 5 2 24 7

2,O

disponibles sur le marché. Dans le cadre de la présente recherche, le choix s'est arrêté

sur le modèle FF20EO. Ce choix tient compte du rapport entre le coût, le nombre de

fibres par kilogramme et la longueur des fibres.

Caoutchouc Combiné (B)

1 O0 99 96 7 7 56 1 1 1 0,3

Tableau 5.8

Propriétés des fibres de fonte

Caractéristiques

Densité

Résistance à la traction (MPa)

Composition

Résistance à la corrosion

Emballage disponible

Résultats

7,20

1400 à 2300

Métal amorphe (Fe,Cr)so(P,C,S)zo

Excellente résistance dans les milieux salins

(chlorures, sulfates) et acides.

Essais de corrosion dans H Cl (0,I N) et Fe CI3

(0,4 N) : pas de réaction après 24 heures.

Sacs de IO kg, palettes de 500 kg

Gros sacs de 250 kg

Tableau 5.9

Dimension et coût des fibres de fonte

I 1

FF 1 OEO 1 O 1

Modèle

, 1

FFI SEO 15 1

Longueur

(mm)

Largeur

(mm)

Épaisseur

24

24

Nombre de

fibresikg

(1000)

1100

580

Surface

spécifique

en m2/kg

1 1,6

1 1,6

Coût

$/kg

1 1 ,O0

11,80

5.2.9 Synthèse des matériaux

Le tableau 5.10 présente la synthèse des principales caractéristiques des

matériaux utilisés (densité, coût unitaire et type).

Tableau 5.10

Caractéristiques des matériaux utilisés

Matériau

Ciment

Fumée de silice

Eau

Sable

Polystyrène

Caoutchouc

5.3 Description des bétons

Densité

Entraîneur d'air

Superplastifiant

Fibres

A partir du dosage optimal praîique (tableau 3.51, le programme expérimental

propose de faire varier des facteurs clés (rapport EL, quantité de caoutchouc et de

3,15

2,22

1 ,O0

2,68

0,04

1,20

fibres). Ces changements ne peuvent s'effectuer aléatoirement sans qu'il n'y ait une

perturbation massique et volumétrique des dosages. De façon a minimiser cet impact,

Coût

($/kg)

1 ,O0

1'21

7,20

les facteurs clés varieront dans les limites fixées par le programme expérimental, tout en

TY pe

150

270

O

0,007

3,90

0,43

conservant les masses et les volumes respectifs de pâte et de matériaux granulaires

10

Non agglomérée

d a

Silice

EPS

Styrène-butadiène

1,20t

1,75*

14,OO

Micro-air

SPN

Fonte

établis par le mélange optimum pratique, soit un volume de matériaux granulaires de

650 L/m3 (sable, billes de polystyrène a particules de caoutchouc) comparativement à

350 L/m3 pour la pâte (eau, ciment, fumée de silice, adjuvants et bulles d'air).

Les équations 5.1 à 5.4 énoncent les relations massiques et volumétriques pour la

pâte et les granulats. Partant de ces équations et des limites imposées aux facteurs cles,

il a été possible d'établir par substitution algébrique les huit bétons d'essai du

programme expérimental tels que présentés au tableau 5.1 1. 11 est à noter que la masse

et le volume des fibres n'ont pas été utilisds dans les calculs puisque ces dernières sont

négligeables compte tenu de la faible quantité utilisée.

Tableau 5.1 1

Composition des bétons mis a l'essai dans le cadre du programme expérimental

* Les caractères gras indiquent les variables du programme expdrimental.

CHAPITRE 6

DESCRIPTION DES ESSAIS EN LABORATOIRE

6.1 Introduction

Cette section décrit les essais réalises en laboratoire pour évaluer l'impact des

variations proposées par le programme expérimental. On retrouve également les

techniques de fabrication ainsi que la taille et le nombre d'éprouvettes requises pour

chacun des essais (tableau 6.1).

6.2 Techniaues de fabrication

Cette section regroupe toutes les étapes complémentaires à la réalisation des

essais soit le conditionnement des matériaux, le malaxage, la consolidation et le

mûrissement des éprouvettes.

Conditionnement des matériaux - Tous les matériaux utilisés pour la confection des

bétons ont été maintenus, à l'état sec, a la température ambiante du laboratoire, soit

20 * 2 O C .

Tableau 6.1

Liste des essais réalisés et dimension des éprouvettes

tlexion 1 A23.1-8C 1 55 x 100 x 400 1 2 1 - 7 1 0,006 Résistance a la 1 Cylindre 1

-

compression et module d'élasticitc! Résistance la

Nombre d'éprouvettes

Malaxage - Pour tenir compte des variations volumétriques et des pertes, le volume des

Risistance a la

Essai Volume de Mon (m3)

traction Résistance à l'écaillage Allongement

gâchées d'essai a été fixé à 0,03 m'. Le malaxeur utilisé est à tambour rotatif incline

Dimension des ~~rouvettes

1

Nome

A 3 2-9C

d'une capacité de 0,05 m3. Ce dernier a rendu possible homogénéisation du mélange

Nombre de couches

I

3 3 Cylindre IO0 r 200 Poutre

(-el-de el) I 0,003

A23.2-13C BNQ

2622420 ASTM -

dans un temps raisonnable. La séquence de malaxage est présentée dans Ie tableau 6.2.

0,003

Tableau 6.2

Séquence de malaxage

150x300 Cylindre 75 x 150 Poutre

3

3

Matériaux

Sable, ciment, fumée de silice, billes de polystyrène

de caoutchouc et des fibres lorsque requis I

Durée de malaxage

!4 minute

S/J eau, Yi S.P., EA

!A eau, '/4 S.P.

Vérification de la consistance et ajout des particules

2

- 7

L/, minute

1 % minutes

1/4 minute

Consolidation - La mise en place s'est faite avec une table vibrante puisqu'elle

représente une excellente méthode pour la préfabrication d'éléments en béton. D'autre

0,0 I l

0,OO 1

1

M a h ~ a g e final 2 minutes

part, La mise en place par pilonnage tend à former des poches d'air provoquées par

l'adhérence des particdes de polystyrène sur te bourroir. L'intensité de la vibration doit

permettre d'atteindre une répartition homogène du béton sans ségrégation ou ressuage.

Le remplissage des éprouvettes est conforme aux exigences de la norme ACNOR

A23.2-3C pour l'ensemble des essais, a l'exception du nombre de couches (voir tableau

6.1).

Mûrissement - Après le moulage, les éprouvetîes ont été entreposées jusqu'a la

réalisation des essais dans une chambre humide, à l'intérieur de laquelle le degré de

saturation est de 100 % et la température demeure comprise entre 21 et 25 O C .

6.3 Mesure de l'essai d'étalement

La mesure de l'étalement a pour but de fournir un indice de la maniabilité du

mélange. L'essai consiste à remplir un cône normalisé en deux couches de volumes

égaux et à pilonner chacune d'elles de 20 coups de bourroir répartis uniformément sur

toute la surface. Par la suite, on retire le cône et on actionne la table a chocs

d'étaiement : le plateau doit tomber 25 fois a raison de 1 coup a la seconde. On mesure

ensuite l'étalement en quatre points à l'aide d'une régle prévue a cet effet. Finalement,

on additionne les quatre valeurs obtenues qui donne le pourcentage d'étalement moyen.

6.4 Mesure de La masse volumiaue

La méthode préconisée pour évaluer la masse volumique du béton à l'état frais

consiste à remplir une jauge de 400 mL en trois couches égales et à pilonner 20 coups à

chacune des couches. A la suite du pilonnage, on doit frapper sur la paroi extérieure de

Ia jauge de façon à refenner les vides laissés par le pilon. Une fois remplie, on nettoie et

on pèse la jauge pour déterminer la masse du béton. La masse volumique est donnée par

la masse du béton divisée par le volume de la jauge.

6.5 Résistance à la com~ression et mesure du module d'élasticité

La résistance à la compression et le module d'élasticité ont été mesurés sur la

même éprouvette (O 100 x 200). La résistance à la compression a été déterminée selon

les exigences de la norme ACNOR 23.2-9C. La résistance se calcule en divisant la

charge maximale par l'aire moyenne de la surface de l'éprouvette, telle que définie dans

la formule 6.1 ci-dessous.

Le module d'élasticité correspond à la pente de la partie linéaire de la relation

contrainte/déformation. Le module d'élasticité a été mesuré à l'aide d'un extensomètre

(LVDT) positionné dans la partie centrale de l'éprouvette. Le capteur permet de

mesurer de façon graduelle la déformation du cylindre lors du chargement, dors qu'une

cellule de charge permet de connaître simultanément le moment de contrainte dans

I'éprouvette. Le module d'élasticité peut donc être calculé en divisant la résistance à la

compression par la déformation unitaire lors du chargement tel que défini dans la

formule 6.2. Le module d'élasticité a été évalué à 40 % de la charge de rupture sur le

dernier des 3 cycles de chargement.

Résistance à la compression : (6.1)

fc - - P - f, : résistance à la compression (MPa)

S P : charge de rupture (N) S : surface (mm')

Module d'étasticité :

E : module d'élasticité (MPa) a : contrainte à 40 % de f, E : déformation unitaire (mmlmm)

6.6 Résistance à La flexion

La résistance à la flexion a été établie selon les exigences de la norme ACNOR

,423.2-8C. On définit ainsi le module de rupture, R, sur une poutre simplement appuyée,

chargée au tiers de sa portée. On obtient le module de rupture par l'équation suivante :

Résistance à la flexion : (6.3)

R = fl R : module de rupture (MPa) b : largeur (mm) bd' P : charge maximale (N) d : épaisseur (mm)

1 : portée (mm)

6.7 Résistance aux cvcles de gel-dégel (ASTM C-666)

Cet essai permet d'évaluer l'effet de la variation des constituants sur la résistance

du béton aux cycles de gel-dégel. Les éprouvettes sont placées dans un cabinet de gel

pouvant en contenir 18 de dimension 76 x 100 x 400 mm. L'appareil est muni d'un

système de refroidissement et de chauffage permettant de produire entre 6 et 9 cycles de

gel et de dégel sur une période de vingt-quatre heures. La température des cycles de

gel-dégel est contrôlée par une éprouvette témoin dans lequel des sondes de température

sont introduites. Les systèmes de chauffage et de congélation sont tels que, à la fin du

cycle de gel. le centre de l'éprouvette témoin atteint -17,8 k 1,7 OC et. inversement, à la

fin du cycle de réchauffement, la température atteint 4,4 k 1'7 OC.

Les mesures de contrôle s'effectuent à une Fréquence ne dépassant pas 36 cycles

et consistent à mesurer l'élongation des éprouvettes sur deux faces opposées ainsi que le

module d'élasticité dynamique. L'allongement est calculé selon la formule 6.4 et le

module d'élasticité dynamique relatif est donné par la formule 6.5. Lors de la prise de

mesure. on doit également examiner l'apparence visuelle et noter toute défectuosité de

l'éprouvette. L'essai peut être considéré comme terminé lorsqu'on atteint une de ces

conditions : 1) 300 cycles, 2) 250 p d m d'allongement ou 3) l'éprouvette est brisée ou

désagrégée.

Allongement unitaire :

E = Lo - Ln - (At x a)

La

Module d'élasticité dvnarnique relatif:

Lo : Iongueur initiale (mm)

Ln : longueur à n cycles (mm)

E : allongement unitaire

At : diffërentiel de température ( O C )

a : coefficient de dilatation du béton

IO& ( d m / OC)

Pc = (Nih2) x 100 Pc : module d'élasticité dynamique relatif (%)

Ni : tiéquence magnétique après C cycles de gel-dégel

N : fréquence magnétique à O cycle

6.8 Résistance à l'écaillage en rése en ce de sels fondants (BNO 2622-420)

La réalisation de cet essai permet de déterminer l'effet de la variation des

constituants sur la résistance i l'écaillage des surfaces exposées aux cycles de gel et de

dégel en présence de sels fondants. Les cylindres de 0 100 x 200, sont plongés dans un

porte cylindre rempli de saumure (NaCl, 3 % massique) et placés dans une chambre

froide permettant de produire un cycle de congélation-décongélation de façon continue.

Chacun de ces cycles doit avoir une durée de 24 heures dont 16 h + 1 h pour la

congélation et les 8 h i l h suivantes pour la décongélation. Lors du cycle de

congélation, l'air ambiant de cette chambre atteint -15 O C t 3,O "C au cours de l'heure

qui suit le début du cycle. four ce qui est du cycle de décongélation, la température ne

doit en aucun temps dépasser 30 O C . La capacité de l'appareil doit être telle que la

température à l'intérieur des éprouvettes soit de -15 O C 1: 3,O O C lors des deux dernières

heures du cycle de congélation et égale ou supérieure à 5 OC a la fin du cycle de

décongélation.

Avant l'essai, les éprouvettes sont séchées à l'air pendant une période de 7 jours,

à une température comprise entre 15 O C et 30 OC et à une humidité relative de 3 0 % a

70 %. Une telle procédure de séchage est usuelle pour l'étude de la résistance a

l'écaillage du béton. La microfissuration de la pâte de ciment hydraté due au séchage,

améliore la résistance à l'écaillage (Sellevold et Radjy 1976). Par la suite, les

éprouvettes peuvent être placées verticalement sur des cales, a l'intérieur d'un récipient

a immersion ne contenant qu'une seule éprouvette. L'éprouvette doit être recouverte de

cette solution par au moins 4 _+ 2 mm dans un contenant hermétiquement fermé. Le

rapport du volume de la solution saline sur le volume de l'éprouvette doit être compris

entre 1 et 2. A la suite du trempage de 24 heures dans la solution saline à une

température comprise entre 15 O C et 30 OC, l'éprouvette est soumise aux cycles de

gel-dégel

Aux IOC et 25' cycles, la masse des débris qui se sont détachés de l'éprouvette est

mesurée. L'éprouvette est rincée à l'eau du robinet et, à l'aide d'un pinceau, on enlève

toutes les particules détachées. Les particules recueillies lors du rinçage ainsi que celles

recueillies au fond du contenant doivent être lavées et tamisées à l'aide d'un tamis

80 Fm, puis séchées et pesées. Les pertes de masse cumulées ainsi obtenues sont

comptabilisées en kilogrammes par mètre carré de surface.

6.9 Résistance à la traction : essai brésilien

L'essai de fendage, dit brésilien, a été effectué selon les dispositions de la norme

ACNOR A23 2-1 3C. La résistance au fendage, T, d o ~ e une bonne approximation de

la résistance à la traction d'un béton. L'essai consiste à mettre sous pression radiale un

cylindre de 150 mm de diamètre sur 300 mm de longueur, ce qui a pour effet d'induire

une contrainte diamétrale de traction. On peut calcuIer la contrainte de traction à partir

de la relation suivante :

Résistance à la traction : (6-6)

T - 2P P : charge de traction (N)

x l d T : résistance à la traction (MPa) 1 : longueur (mm) d : diamètre (mm)

CHAPITRE 7

PRÉSENTATION DES &SULTATS

7.1 Introduction

Comme il a été mentionné dans les chapitres précédents, notre expérimentation

visait l'élaboration d'un béton léger pour la confection d'éléments destinés à la vente au

détail. Il convient maintenant de présenter une synthèse des résultats obtenus. Dans un

premier temps, on présente la composition des bétons et, dans un deuxième temps, les

résultats des performances des bétons pour chacun des facteurs clés étudiés.

Pour évaluer l'effet des différents facteurs clés, on a calculé un résultat moyen

issu du regroupement des bétons correspondant à chacune de ces limites. Pour chaque

série d'essais, deux éprouvettes ont été mises à l'essai. La moyenne pour chacun des

facteurs clés aux limites inférieures et supérieures est donc représentée par huit résultats

d'essais distincts. Toutefois, dans le cas de l'évaluation de la résistance aux cycles

accélérés de gel-dégel, une seule éprouvette a été fabriquée par série.

7.2 La comuositions des bétons

Le tableau 7.1 donne la composition réelle de chacun des bétons fabriqués en

laboratoire. Les sections suivantes présentent certaines observations sur le pourcentage

d'air et la masse volumique.

Tableau 7.1

Proportions réelles des bétons confectionnés en laboratoire

*eau incluant celle du superplastifiant.

Ciment

FS*

Eau*

Sable

Polystyrène

Caoutchouc

Fibre

E.A.

S.P. (solide)

Rapport (EIL)

Massevolumique(kg/m')

Volume d'air (%)

Etalement (%)

7.2.1 Teneur en d'air

Les teneurs en air présentées dans le tableau 7.1 ont été établies par le calcul des

volumes absolus partant de la masse volumique mesurée en laboratoire.

-

MELANGES

Les dosages en agent entraîneur d'air ont été ajustés lors des essais en laboratoire

pour obtenir des teneurs en air variant de 5 a 10 %. II est clair que le rapport EL

influence la teneur en air dans les bétons, soit 2,s ~ / r n ~ pour un rapport EL de 0,27 et

0,l ~ l r n ~ pour un rapport WL de 0,32. Cette variation s'explique en partie par

l'augmentation de l'étalement dans le cas du rapport EL de 0,32 permettant une

1

447,8

38,9

133,4

323,s

20,3

0,O

0,O

2,4

I4,6

0,274

981

6,8

38

2

410,3

35,6

144,9

306,l

19,2

0,O

0,O

0,l

7,O

0,325

923

11,l

60

4

418,6

36,4

147,4

261,l

18.6

51,3

0,O

0,1

7,l

0,324

941

9,3

44

3

45 1,8

39,3

134,6

272,9

19,5

53,6

0,O

2,4

14,7

0,274

989

5,9

12

S I h 7

430,9

37,5

128,3

260,2

18,6

51,l

3,O

2,3

14,l

0,274

943

10,3

16

446,3

38,8

132,9

322,4

20,2

0,0

3,O

2.4

14,5

0,274

978

7,l

20

8

421.9

36,6

148,6

263,l

18,8

51,7

3,O

0,1

7,2

0,324

948

8,5

40

404,l

35,1

142,7

301,s

18,9

0,O

3,O

0,1

6,9

0,325

909

12,4

52

meilleure homogénéité et une meilleure distribution du réseau de bulles d'air. D'autre

part, en abaissant le rapport E/L, il est usuel d'utiliser des dosages plus importants en

agent entraîneur d'air : la cohésion de la pâte de ciment et la quantité réduite d'eau libre

exigent un dosage plus important en agent entraîneur d'air. Pour ce qui est de

l'influence des deux autres facteurs (caoutchouc et fibres), ils ne semblent pas présenter

ni d'avantage ni de désavantage du point de vue de la variation de la teneur en air.

De façon globale, bien que le volume d'air varie en fonction des rapports EL, les

teneurs en air calculées pour chacun des huit bétons demeurent tout à fait acceptables.

7.2.2 Masse volumique

Les masses volumiques présentées dans le tableau 7.1 ont été mesurées tout de

suite après la période de malaxage. Dans l'ensemble, les masses volumiques des bétons

varient de 910 à 990 kg/m3, ce qui répond parfaitement a la valeur cible de 1000 kg/&

établie comme critère de conception au départ. La variation de la masse volumique des

bétons peut être expliquée en grande partie par la fluctuation de la teneur en air dans les

bétons.

Le deuxième objectif de cette recherche était d'utiliser des produits de recyclage

légers pour tenter de diminuer la masse volumique. A cet égard, l'utilisation des

particules de caoutchouc n'apporte pas de variation notable. L'effet non significatif de

l'utilisation de ces dernières peut être expliqué en partie par le faible dosage utilisé.

7.3 La performance des bétons

Dans cette section, on présente les résultats de performance selon les critères de

conception établis : 1) la rhéologie du béton a l'état frais, 2) les propriétés à l'état durci,

3) la durabilité, 4) les aspects économiques.

7.3.1 La rhéologie des bétons a t'état frais

Le tableau 7.2 présente Ia rhéologie des bétons à l'état frais qui a été mesurée par

l'étalement.

Tableau 7.2

Rhéologie des bétons à l'état plastique : résultats

des mesures d'étalement

Facteurs clés éîudiés

Rapport E/L - Lors de la mise en place du béton, on a pu constater une diminution de

la plasticité du béton lorsque le rapport EL diminue. Les résultats des essais sont clairs

a cet effet : l'étalement moyen passe de 20 % (na 1, 3, 5 et 7) a 50 % (nos 2, 4,6 et 8)

pour les bétons de rapport E/L de 0'27 et de 0,32 respectivement.

Pourcentage de particules de caoutchouc - Le dosage en particules de caoutchouc

semble également avoir un effet significatif sur la plasticité du béton. En effet,

l'étalement chute de façon importante lorsque le béton contient des particules de

caoutchouc (tableau 7.2). L'étalement moyen diminue de 43 % (nos 1, 2, 5 et 6) à 28 %

(nos 3,4. 7 et 8) lorsque l'on ajoute des particules de caoutchouc dans le béton.

Quantité de fibres - L'étalement diminue trés légèrement lorsqu'on ajoute des tibres

dans le béton. L'étalement moyen des bétons passent de 39 % (no' 1, 2, 3 et 4) à 32 %

(nos 5 6 , 7 et 8) avec l'ajout de fibres de fonte.

7.3.2 Propriétés du béton à l'état durci

Les propriétés à l'état durci caractérisent le béton relativement a sa résistance

mécanique. Les essais réalisés ont permis de déterminer la résistance a la compression,

le module d'élasticité, la résistance à la flexion et la résistance a la traction. Les

résultats de ces essais sont présentés dans le tableau 7.3.

Tableau 7.3

Résultats* des propriétés mécaniques (mûrissement : 28 jours)

Série no

1 5 3 7 2 6 4 8

* Résultats complets à l'annexe B

Facteurs clés dtudiés Critères de performance EIL

0'27

0,32

Brésilien (MPa)*

039 1 ,O 1,o A

0 3 1,O 0,8 0'7 0'9

Caoutchouc (%)

O

20

O

f. (MPa)*

498 5 s 5,7 3 2 3,4 3,1 3,1 3,3

Fibres (kplm3)

O 3 O 3 O 3 0

Ec (GPa)*

798 5'3 7,7 4,7 3,4 4,4 3,s 4,3

Flexion (MPa)*

295 2 s 2,5 2 2 1'9 1'9 1 3 2,o 20 3

7.3.2.1 Résistance à la com~ression

La résistance à la compression a été mesurée sur des cylindres de 0

100 r( 300 mm après un mûrissement humide de 28 jours. Dans l'ensemble, les

résistances à la compression sont relativement faibles. Les valeurs présentées dans le

tableau 7.3 représentent la moyenne de deux éprouvettes pour chacun des bétons. En ce

qui concerne les écarts de résistance mesurés au . limites des facteurs clés étudiés, la

résistance moyenne est obtenue de quatre séries d'essai.

Rapport E/L - En regard à la résistance à la compression moyenne pour les deux

familles étudiées de rapport E L , l'écart des résistances à la compression est signiticatif :

3.2 MPa (nos 2 ,4 ,6 et 8) et 4,8 MPa (nos 1,3, 5 et 7) pour des rapports E/L de 0,32 et de

0.27 respectivement. Le béton de la série 7 dont la teneur en air est plus éievée (tableau

7.1) présente un comportement isolé. En omettant le résultat du béton de la série 7, la

résistance à la compression moyenne est alors de 5,3 MPa plutôt que de 4,8 MPa (nm 1,

3. 5 et 7). Cette dernière semble plus représentative de la réalité. Pour cette raison, les

résultats de la série 7 seront donc exclus du calcul des moyennes pour évaluer

l'influence des paramètres clés étudiés sur la performance à la résistance mécanique.

Pourcentage de particules de caoutchouc - Les résultats obtenus montrent une légère

diminution de la résistance à la compression lorsqu'on ajoute du caoutchouc au béton,

soit une diminution de 4,2 MPa (nos 1,2,5, et 6) à 4,O MPa (nos 3 ,4 et 8).

Quantité de fibres - Le dosage en fibres n'a également pas d'effet très important. La

moyenne des résistances à la compression des bétons sans fibres est de 4,3 MPa (n" 1,2,

3 et 4) comparativement à 3,8 MPa (nos 5,6 et 8) pour les bétons avec fibres.

7.3.2.2 Module d'élasticité

Le module d'élasticité a été évalué lors des essais de résistance à la compression

a 40 % de la charge de rupture. Les courbes contrainte-déformation obtenues sont

présentees aux figures 7.1 à 7.6. Dans l'ensemble, le module d'élasticité des bétons est

faible (E,.,,,,, = 5 GPa) comparativement a celui des bétons usuels (E, = 20-30 GPa). La

présence de particules de polystyrène est à l'origine de ce comportement.

Rapport E/L - Le rapport E L du béton semble avoir un effet sur le module d'élasticité

du béton. En effet, les résultats moyens montrent une légère augmentation de 3,9 GPa

(nos 2'4.6 et 8) a 6,9 GPa (nos 1'3 et 5) lorsque le rapport E/L passe de 0,32 a 0.27.

Les courbes de contrainteldéformation des figures 7.1 et 7.2 présentent l'effet de

la variation du rapport E/L sur le module d'élasticité. L'augmentation du rapport E/L

tend à augmenter les déformations unitaires pour une contrainte donnée.

Pourcentage de particules de caoutchouc - Le module d'élasticité ne présente pas de

variation importante lorsqu'on ajoute des particules de caoutchouc dans Ies proportions

retenues pour cette étude, si ce n'est une légère diminution.

Les figures 7.3 et 7.4 présentent la relation contrainte/défomation lorsqu'on

ajoute du caoutchouc au béton.

Quantité de fibres - L'ajout de fibres de fonte au béton a un effet sur le module

d'élasticité. En effet, les résultats moyens du tableau 7.3 montrent une augmentation de

5.6 GPa (nos 1'2'3 et 4) à 4'7 GPa (nos 5'6 et 8) lorsqu'on ajoute 3 kg/m3 de fibres dans

le béton.

I I I

0.0008 0,00 1 2

Deformation (mmfmm)

Figure 7.5 Courbes contrainte-ddformation du béton sans ajout de fibres de fonte dans le béton

7.3.2.3 Résistance à la flexion

La résistance à la flexion a été mesurée sur des poutres de 75 x 100 x 400 mm

après un mûrissement humide de 28 jours. Dans l'ensemble, la résistance à la flexion est

relativement élevée (moyenne de 2,2 MPa) comparativement à la résistance à la

compression. Dans le cas des bétons ordinaires, il n'est pas rare d'avoir des valeurs de 3

à 5 MPa de résistance à la flexion pour des bétons ayant des résistances à la compression

supérieures à 30 MPa (Neville, 1981).

Rapport E/L - Les résistances à la flexion augmentent de 1,9 MPa (nos 2, 4, 6 et 8) a

2.5 MPa (nos 1.3 et 5) pour une réduction du rapport E/L des bétons de 0,32 a 0,27.

Dosage en particules de caoutchouc et en fibres - L'ajout de caoutchouc et de fibres

ne semble pas avoir d'effet important sur la résistance à la flexion.

7.3.2.4 Résistance à la traction (essai brésilien)

La résistance à la traction a été mesurée sur des cylindres de 0150 x 300 mm

après un mûrissement humide de 28 jours. La résistance à la traction est souvent

estimée comme étant environ 10 % de la résistance à la compression (Metha, 1986).

Pour les bétons étudiés, les résultats vont bien au-delà de cette estimation puisque la

résistance à la flexion équivaut à 55 % de la résistance à la compression.

Aucun des facteurs étudiés dans le cadre de ce programme expérimental ne

présente un effet significatif sur la variation de la résistance a la traction (essai brésilien).

7.3.3 Durabilité

Compte tenu des applications architecturales prévues pour les bétons à l'étude, la

durabilité représente un critère important. Le comportement des bétons fabriqués a été

évalué par deux essais qui caractérisent la durabilité au gel du béton : 1) la résistance à

I'écaillage, 2) la résistance aux cycles accélérés de gel-dégel.

7.3.3.1 Résistance à l'écaillage

La résistance à l'écaillage a été mesurée sur des cylindres de 0 75 x 150 mm

après un mûrissement humide de 28 jours. Les résultats sont présentés dans le tableau

7.4 et montrent que les bétons soumis à l'essai offrent une excellente performance à

l'écaillage indépendamment des dosages utilisés. Cependant, les pertes de masse

moyennes pour les rapports E L de 0,32 sont supérieures à celles des bétons de rapport

E/L de 0.27 (tableau 7.4). Dans l'ensemble, les résultats sont très concluants : tous les

bétons étudiés ont une bonne résistance à l'écaillage. La perte de masse maximale

mesurée est égale à 0'27 kg/m2 (béton no 6) ce qui est bien inférieur à la limite spécifiée

de 1 kg/m2 (BNQ 2622-420). De surcroît, la compilation des résultats montre une

progression lente et stable de la perte de masse (figure 7.7). Les photographies des

éprouvettes après 25 cycles de gel-dégel en présence de sels fondants sont présentées

aux figures 7.8 à 7.1 1. On constate que les éprouvettes des bétons ayant un rapport E/L

de 0.32 sont davantage dégradées que celles des bétons de rapport E L de 0,27. Par

ailleurs. la partie supérieure des cylindres représentant le fond du moule est nettement

plus dégradée. Il est possible qu'il y ait eu une survibration dans cette partie du

cylindre, modifiant ainsi la qualité du réseau d'air dans le béton.

Tableau 7.4

Résultats des essais de résistance à l'écaillage des bétons

(miirissement 28 jours)

*~ésultats complets présentés il l'annexe C

Rapport EIL - La perte de masse a l'écaillage est de 0,03 kg/m2 (nos 1, 3 et 5) pour un

rapport E/L de 0'27 comparativement à 0 , l j kg/m2 (nos 2,4,6 et 8) pour un rapport E/L

de 0,32. Comme mentionné précédemment, la série 7 présentait des résistances

mécaniques inférieures a son groupe (rapport E/L de 0,27) par suite d'une teneur en air

élevée. Dans le cas de la résistance à l'écaillage, on retrouve également un écart pour

cette série. Cependant. la différence est ici moins significative bien que la teneur en air

élevée du béton de la série 7 ait pour effet de limiter sa résistance a I'écaillage. Une

forte quantité d'air peut réduire la résistance à l'écaillage puisque, après séchage, une

partie des vides d'air en peau du béton est rendue accessible par le réseau de

microfissures. Ce phénomène accentue ainsi les effets du gel (saturation des bulles)

plut8t que de protéger la pâte de ciment hydraté du phénomène de surface : l'écaillage

(Perraton, 1986).

Pourcentage de particules de caoutchouc - La perte de masse à I'écaillage est plus

faible lorsque le béton contient des particules de caoutchouc. Les résultats indiquent une

perte de masse de 0,05 kg/m2 (nos 3, 4 et 8) pour les bétons confectionries avec des

particules de caoutchouc et de 0,12 kg/m2 (nos 1,2, 5 et 6) pour ceux qui ne contiennent

pas de caoutchouc.

Quantité de fibres - Les résultats obtenus indiquent une augmentation de la perte de

masse lorsque des fibres sont ajoutées au béton : 0,07 kg/m2 (nos 1, 2, 3 et 4) pour les

béions sans fibre et 0,13 kg/& (nos 5 ,6 et 8) pour les bétons avec fibres.

7.3.3.2 Résistance aux cvcles de gel-dégel : cvcles accélérés

La résistance aux cycles accélérés de gel-dégel a été mesurée sur des prismes de

75 x 100 x 400 mm après un mûrissement humide de 90 jours. Le tableau 7.5 présente

l'allongement moyen des prismes après 300 cycles de gel-dégel et la variation du

moduie d'élasticité dynamique relatif. La figure 7.12 présente l'évolution de

l'allongement des prismes en fonction du nombre de cycles et la figure 7.13 montre la

diminution du module d'élasticité dynamique en fonction du nombre de cycles.

Dans l'ensemble, la résistance des bétons aux cycles accélérés de gel-dégel est

révélatrice de la bonne qualité des bétons fabriqués.

Tableau 7.5

Résultats des essais de résistance aux cycles accélérés de gel-dégel

(mûrissement 90 jours)

*Résultats complets prdsentes tt l'annexe D

Série no

1 5 3 7 2 6 4 8

Facteurs clés étudiés

E/L

0,27

0,32

Critères de performance

Allongement après 300

cycles (prn/m) *

198 218 1544 624 520 348 142 160

Caoutchouc (%)

O

20

O

20

Module d'élasticité dynamique

relatif (%)* 99 86 5 7 70 67 87 93 8 6

Fibres &dm3)

O 3 O 3 O 3 O 3

Air (%)

6,8 7,1 5,9 1 0,3 11,l 12,4 9,3 8,s

150 200

Nombre de cycles

Figure 7.13 Variation du module d'élasticité dynamique relatif en fonction du nombre de cycles de gel-dégel

Cependant, on doit considérer le nombre de cycles produits par période de 24

heures. En effet, l'essai a été réalisé à une fréquence de 3 à 4 cycles par jour

comparativement aux 6 à 9 cycles prescrits par la norme. Cette réduction du nombre de

cycles est atmbuable aux cmctéristiques particulières des bétons confectionnés dont la

conductivité thermique est beaucoup plus faible que celle des bétons ordinaires : la

teneur élevée en billes de polystyrène est a l'origine de ce comportement. Par

conséquent, l'appareillage est beaucoup moins performant pour refroidir et réchauffer

les prismes. En conséquence, bien que la diminution du nombre de cycles journaliers

doive être prise en considération dans l'analyse de la performance des bétons étudiés, il

est difficile d'en juger l'impact.

Rapport E L - Contrairement à la résistance à l'écaillage, les bétons ayant un rapport

€IL de 0'27 présentent une moins b o ~ e performance face aux cycles de gel-dégel.

Après 302 cycles, l'allongement moyen est de 646 pdrn (nos 1 ,3 ,5 et 7) pour les bétons

de rapport EIL de 0,27 et de 293 p d m (nos 2, 4,6 et 8) pour les bétons de rapport E/L de

0.32. Cependant, on a pu constater une détérioration plus sévère de la surface (écaillage)

des prismes ayant un rapport E L de 0,32. Une analyse de la qualité du réseau d'air

(facteur d'espacement des vides d'air) serait appropriée pour analyser avec plus de

précision ces résultats.

Pourcentage de particules de caoutchouc - On ne constate pas de variation du

comportement à l'essai de résistance face aux cycles accélérés de gel-dégel pour les

bétons contenant des panicules de caoutchouc comparativement aux autres bétons

fabriqués sans particules de caoutchouc.

Quantité de fibres - L'ajout de fibres semble contribuer à diminuer l'allongement sous

l'effet des cycles accélérés de gel-dégel. En effet, l'allongement moyen des bétons

contenant des fibres est de 338 prdm (nos 5,6,7 et 8) comparativement à 601 p d r n (nos

1. 2. 3 et 4) pour les mélanges sans fibre. Ce résultat est intéressant puisqu'il est

généralement reconnu que les fibres ont pour effet de limiter la propagation des

microfissures dans le béton. Le choix des fibres de fonte permet, compte tenu de leur

faible épaisseur, d'assurer une plus grande répartition dans la masse : pour un prisme de

75 x 100 x 400, il y a en moyenne 2475 fibres, soit une fibre de longueur de 2 cm par

centimètre cube de béton.

Comme le prescrit la norme ASTM-C666, on a égaiement mesuré Ie module

d'élasticité dynamique relatif qui donne un indice de la résistivité d'un matériau. Les

résultats sont révélateurs puisqu'on dénote une concordance avec les allongements

mesures. En effet, les prismes présentant des allongements plus élevés, ayant une

diminution de la densité du matériau induite par le gonflement dû à l'absorption d'eau,

ont également un module d'élasticité dynamique relatif inférieur.

7.3.4 Aspects economiaues

L'aspect économique demeure un élément important dans le développement des

bétons à l'étude. Le potentiel économique d'éléments en béton léger pour la vente au

détail est non seulement tributaire de [a légèreté du béton, mais également de son coùt

lié à celui des matières premières. A cet égard, le tableau 7.6 présente le coUt total des

matières premières des bétons étudiés.

Tableau 7.6

Résultats des propriétés économiques

1 1 Facteurs clés 1 Coût du 1

* Coût établi h partir des rnatikres premieres seulement.

Série no

Rapport E/L - Le cout du béton varie en fonction du rapport E L . En effet, le coût

moyen des bétons ayant un rapport EL de 0,27 est de 256 $fm3 (nos 1, 3, 5 et 7)

comparativement à 222 $/m3 ( t f s 2,4 ,6 et 8) pour les bétons de rappon EIL de 0'32.

Pourcentage de particules de caoutchouc - L'ajout de caoutchouc influence

également Ie coût des bétons. L'augmentation associée a l'ajout de 20 % de particules

de caoutchouc en remplacement du sable est de 20 $lm3 . Il est donc normal que le coi3

du béton contenant des particules de caoutchouc soit plus élevé (voir tableau 5.10).

E/L

Quantité de fibres - Tout comme pour l'ajout de particules de caoutchouc,

l'augmentation du coût des bétons associée a l'ajout de fibres n'est pas négligeable. En

effet. une augmentation de 45 $ le in3 est associée a l'ajout de fibres au béton.

Caoutchouc (% )

Fibres (kp,/m3)

béton * ($lm3)

CHAPITRE 8

ANALYSE DES RÉSULTATS

8.1 Introduction

L'analyse des résultats vise à mettre en relief les effets des trois facteurs clés

étudiés sur les propriétés du béton et a évaluer s'ils peuvent être jugés significatifs. Au

chapitre précédent? on a vu qu'il y a effectivement des variations de la performance du

béton en rapport aux facteurs étudiés. Cependant. pour être en mesure de juger si ces

variations sont significatives, on doit procéder a une analyse plus approfondie. Cette

analyse va permettre non seulement de confirmer ou d'infirmer si l'un des facteurs a un

effet significatif, mais également de préciser son degré de confiance. A la lumière de

cette analyse. il sera alors possible de cibler la composition optimale du béton selon Ies

propriétés recherchées.

La méthodologie d'analyse est basée sur une analyse de la variance des résultats.

Cette méthode permet de dire s'il existe une différence significative entre trois

moyennes ou plus. De façon très sommaire, la table de compilation d'une analyse

statistique fournit des valeurs de la probabilité que le facteur soit significatif sur le

paramètre étudié (P-Value) pour chacun des facteurs clés. 11 est usuei de considérer

qu'un facteur est significatif lorsque la valeur de P est inférieure à 0,05. L'application

de la méthode est relativement ardue pour une résolution manuelle. Pour faciliter

l'analyse, on a utilisé le logiciel statistique STATGRAPHICS Plus 4.0.

Il aurait été avantageux de réaliser une répétition des séries d'essai pour

augmenter la représentativité des résultats. Cette répétition aurait, entre autres, permis

de préciser les résultats obtenus pour le mélange numéro sept qui semble présenter des

résultats inférieurs à sa catégorie.

8.2 Analyse des résultats

L'analyse qui suit est basée sur les travaux réalisés en laboratoire et sur les

résultats de la table d'ANOVA.

8.2.1 L'étalement

L'étalement représente le premier indice obtenu lors des essais en laboratoire.

Dès cet instant, on a pu constater que le rapport E/L et l'ajout des particules de

caoutchouc avaient un impact sur la mise en place des bétons.

L'analyse de la variance présentée dans le tableau 8.1 a été obtenue a partir des

valeurs d'étaiement présentées dans le tableau 7.2. Les résultats de l'analyse montrent

une forte probabilité avec un degré de confiance de (P = O) de l'effet du rapport E/L et

de (P = 0,02) pour ce qui est de l'effet du caoutchouc, ce qui confirme que ces deux

paramètres ont un effet significatif sur la rhéologie du béton. Quant à l'ajout de fibres,

les résultats indiquent qu'elles n'ont pas montré d'effet significatif sur le pourcentage

d'étalement.

Malgré l'utilisation de 25 JJm3 de superplastifiant, les mélanges ayant un rapport

E/L de 0.27 présentent un étalement plus faible que les bètons de rapport E L de 0,32.

La quantité insufisante de superplastifiant peut être à l'origine de ce phénomène.

L'effet des particules de caoutchouc sur la diminution de l'étalement peut

possibIement s'expliquer par quatre raisons : 1) les particules de caoutchouc minimisent

l'effet du superplastifiant, 2) une incompatibilité existe entre ces deux polymères, 3) la

testure de surface des particules de caoutchouc O& possiblement plus de résistance au

frottement 4) une moins bonne mouillabilité du caoutchouc équivaut à une demande en

eau plus élevée.

Par suite des manipulations de laboratoire, on juge que les valeurs obtenues

d'étaiement et de cohésion des bétons de rapport E/L de 0,27 sont à la limite de

l'acceptabilité considérant la méthode de consolidation choisie, c'est-à-dire la table

vibrante. Ceci et d'autant plus vrai lorsque les fibres et le caoutchouc sont utilisés en

mème temps. Par contre, les vaIeurs d'étalement obtenues avec les bétons de rapport

E/L de 0,32 sont nettement plus acceptables, quoique légèrement élevées lorsqu'il n'y a

pas de fibres et de particules de caoutchouc.

Tableau 8.1

Analyse de Ia variance des résultats obtenus pour l'étalement

des bétons présentés dans le tableau 7.2

VaIeur de la Somme des

E L

I I I 1 I

Degré de

carrés

1512'5

E rreur

Total

Caoutchouc , 420.5

Fibres 1 84'5

Carrés

liberté

1

2,68 1 84'5

126

2 143,5

Rapport

1

O, 1768

Moyens

1512,s

4

7

430'5

31,5

F

48'02

probabilité

(P-Value)

0,0023

13,35 0,02 17

8.2.2 La résistance à ta com~ression

Les résistances à la compression des bétons étudiés sont relativement faibles, soit

de 3.0 à 5,O MPa pour des rapports E L de 0'32 et 0,27 respectivement. Bien que la

qualité de la pâte soit bonne, il reste que près de 50 % du volume des bétons est

constitué de billes de polystyrène qui n'offrent pratiquement aucune résistance

mécanique. De plus, s'ajoute un a u w 5 à 10 % du volume par des bulles d'air

entraînées. L'analyse de variance des résultats de la résistance à la compression

présentés dans le tableau 7.3 est donnée dans le tableau 8.2. La variation de la résistance

à la compression pour les deux groupes de rapport EL donne une valeur P-value de

0'06. On peut donc conclure qu'il y a un effet significatif du rapport EIL sur la

résistance à la compression. Ce résultat est normal puisque, comme on l'a évoqué au

chapitre 1, la qualité de la pàte de ciment diminue (porosité augmente) lorsque le rapport

E/L augmente.

En ce qui a trait à l'effet des particules de caoutchouc et des fibres sur la

résistance à la compression, les résultats du tableau 8.2 n'indiquent aucun effet

significatif.

Tableau 8.2

Analyse de la variance des résultats obtenus

pour la résistance a la compression des bétons présentés dans le tableau 7.3

Somme des

carrés

l I I I l

Degré de

liberté

Caoutchouc 1 0,32 I I 1 I 1

8.2.3 Module d'élasticité

I I 1 1 I

L'analyse de la variance des résultats du module d'élasticité présentés dans le

tableau 7.3 est donde dans le tableau 8.3. On constate une influence significative du

rapport E L avec une valeur de P = 0,05. Ce comportement peut s'expliquer par la perte

de rigidité de la pâte de ciment avec l'augmentation du rapport E L .

1

Fibres

Erreur

Pour ce qui est des particules de caoutchouc et des fibres de fonte, on ne peut

conclure de leur influence sur le module d'élasticité. D'aiIleurs, l'analyse de la variance

du tableau 8.3 ne présente pas de tendance significative à cet effet.

Vaieur de la

probabilité

(P-Value)

Carrés

Moyens

0,56

Rapport

F

0,32

0,4945 0,34 1 8

3,1345 4 1 0,783625 1

0,4 1

1

0,5576

0,44 1 8

Tableau 8.3

Analyse de la variance des résultats obtenus

pour le module d'élasticité des bétons présentés dans le tableau 7.3

E/L

8.2.3 Résistance à la flexion

Caoutchouc

Fibres

Erreur

Total

L'analyse de variance des résultats de la résistance a la flexion présentés dans le

tableau 7.3 est donnée dans le tableau 8.4. Les résultats indiquent que seul le rapport

E L est jugé comme étant un facteur significatif (P = 0,Ol). Ce résultat était prévisible

compte tenu des résultats relatifs à la résistance à la compression. En effet, la résistance

à la flexion est généralement tributaire de la résistance a la compression. Cependant, si

on compare le rapport entre la résistance à la flexion et la résistance en compression de

bétons ordinaires, on est a même de constater que celui-ci est supérieur dans le cas des

bétons légers étudiés. La qualité de la pâte (rapport EIL faible) peut expliquer, en partie,

cette performance des bétons légers.

Somme des

carrés

1,2 1229E7

Degré de

liberté

1 ,

595 12.5

1,73538E6

1,60287E6

595 12.5

1,73538E6

6.3 1 147E6

2,03293 E7

Carrés

Moyens

1,2 1229E7

1

1

4

7

i

Rapport

F

0,04

1 ,O8

VaIeur de la

probabilité

(P-Value)

0,8566

0'3 569

7,56 0,OS 14

Tableau 8.4

Analyse de la variance des résultats obtenus

pour la résistance a la flexion des Mons présentés dans le tableau 7.3

1 canés 1 liberté 1 Moyens 1 F 1 probabilité

Somme des Degré de

I I t I I

Caoutchouc 1 0,0021 125 1 f 1 0,0021 125 1 0,11 I 1 1 1 I

8.2.5 Résistance a la traction (essai brésilien)

Carrés

0,7562

Fibres 1 0,0001 125 1 1 1 0,0001 125 1 0,O 1

Erreur

Total

L'analyse de la variance des résultats de la résistance a [a traction présentés dans

le tableau 7.3 est donnée dans le tableau 8.5. Cette analyse montre qu'aucun des

facteurs clés n'a d'effet significatif sur la résistance a la traction. Cependant,

considérant les valeurs obtenues et des écarts (min-rnax) étudiés aussi faibles, il est

compréhensible qu'il soit dificile de percevoir une variation acceptable.

0,9425

Rapport

0,07645

0,6 14288

VaIeur de la

4 0,191 125

7

Tableau 8.5

Analyse de la variance des résultats obtenus

pour la résistance à la traction des bétons présentés dans le tableau 7.3

1 Somme des 1 Degré de 1 Carrés 1 Rapport 1 Valeur de la

E/L I I I I 1

carrés

0,0068445

Caoutchouc 1 0,0068445 1 1 1 0,0068445 1 0,85 1 1 1 1

Total 1 0,047248 1 7

0,4080

Fibres I I I ,

8.2.6 Résistance à l'écaillage

liberté

1

Erreur

L'analyse de variance des résultats de la résistance à l'écaillage présentés dans le

tableau 7.3 est donnée dans le tableau 8.6. Les résultats du tableau 8.6 indiquent que

seul le facteur "rapport EL" a un effet jugé statistiquement significatif (P = 0,04) sur la

résistance à l'écaillage.

0,001458 1 1 1 0,001458

0,032101 1 4 1 0,00802525 1

La différence entre la performance des deux familles de béton de rapport E L

confirme les concepts de dosage présentés au chapitre 1 sur l'amélioration de la qualité

de la pâte de ciment hydraté relativement à l'abaissement du rapport EL. Cependant,

les d e u ~ familles de rapport E 5 utilisées sont plus qu'acceptables, compte tenu de la

performance a l'écaillage et considérant que ce sont des valeurs utilisées dans les bétons

à haute performance. En effet, même les bétons préparés avec un rapport EL de 0,32

causent des pertes de masse bien en deçà des limites fixées, soit de O,f5 kg/m2

comparativement à 1,O kg/m2 qui représente le critère de conception fixé au chapitre 3.

Moyens

0,0068445

0,18

F

0.85

0,69 19

probabilité

( P-Value)

0,4080

Il paraît égaiement important de noter que l'utilisation d'agent entraîneur d'air a sans

aucun doute amélioré la performance des bétons à l'écaillage.

Cependant, malgré l'excellente performance des bétons itudiés, on se doit d'être

vigilant face aux résultats obtenus, en particulier pour les séries no' 2, 4, 6, 8. En effet,

malgré une perte de masse bien infërieure à 1,O kglm', les figures 7.8 à 7.11 permettent

d'observer des surfaces relativement dégradées pour les séries en question. Cette

divergence s'explique par la très faible densité des particules de polystyrène qui se

détachent de l'éprouvette. L'écaillage étant donné par la perte de masse par unité de

surface, rend cette relation grandement tributaire de !a densité des composantes du

béton. Pour pallier a ce phénomène, il y aurait lieu de fixer la perte de masse lors de

l'essai d'écaillage relativement a la masse volumique des grandats utilisés.

Tableau 8.6

Analyse de la variance des résultats obtenus

pour la résistance a l'écaillage des bétons présentés dans le tableau 7.4

Somme des

Caoutchouc 1 0,00735078 1 1 1 0,00735078 1 2,28 1 0,2059

carrés

I I 1 I 1

Fibres 1 0,00330078 1 1 1 0,00330078 1 1 ,O2 1 0,3693

Degré de

1 1 1 1 1

Erreur 1 0,0129221 1 4 1 0,00323053 1 I

liberté

1 1 1 1 I

Total 1 0,0526745 1 7 1

Cmés

Moyens

Rapport Valeur de !a

F probabilité

(P-Value)

8.2.7 Résistance aux cvcles de gel-dégel

L'analyse de la variance des résultats de la résistance aux cycles accélérés de

gel-dégel présentés dans le tableau 7.5 est donnée dans le tableau 8.7. Cette analyse

statistique confirme qu'il n'y a pas d'effet significatif du rapport EL sur la résistance

aux cycles accélérés de gel-dégel. Il est difficile d'expliquer ces résultats puisque les

bétons de rapport E L de 0'32 ont un allongement inférieur à ceux de rapport E/L de

0.27 ; par contre, ils présentent des surfaces beaucoup plus écaillées.

Tableau 8.7

Analyse de la variance des résultats obtenus pour la résistance aux cycles

accélérés de gel-dégel des bétons présentés dans le tableau 7.5

1 Somme des 1 Degré de 1 Carrés 1 Rapport 1 Valeur de la ( 1 carrés 1 liberté 1 moyens 1 F 1 probabilité 1

Caoutchouc 1 175825,O 1 1 1 175825,O 1 0,72 0,4427 1 I l I I I

Erreur 1 971130,O 1 4 1 242783'0 1 I 1 I I I 1

L 1 , L 1

Total 1 1,5357486 1 7 1

Fibres 1 138865,O 1 1 1 138865,O 1 0,57

Les résultats sont surprenants et inquiétants. Habituellement, les bétons de

rapport E/L aussi faible (0,27 et 0'32) présentent une bonne durabilité face aux cycles

accélérés de gel-dégel. Évidemment, ceci est vrai dans la mesure où le réseau d'air - présente un facteur d'espacement acceptable, (L < T C i i t i r p ) . II a été démontré que le

facteur d'espacement critique augmente avec une diminution du rapport EJL en deçà de

0.30 (Marchand, 1994).

0,49 16

Par ailleurs, il est reconnu que la teneur en air ne permet pas de garantir de la

qualité du réseau d'air (A% # 1). A priori. l'utilisation d'un agent enmineur d'air,

reconnu et performant (le Micro-air), une teneur en air ciblée élevée ( > 7 %) et un

rapport E/L faible représentent des critères favorables pour assurer une performance

acceptable face aux cycles de get-dégel. D'ailleurs, les résultats de la résistance à

l'écaillage ont confirmé ces choix. Dans ce contexte, la performance des bétons

confectionnés face aux cycles accélérés de gel-dégel laisse planer une ombre. Il en

ressort qu'une analyse du réseau d'air s'impose pour ces bétons de façon a orienter le

dosage des bétons pour assurer une performance adéquate aux éléments fabriqués.

D'autre part, on constate un écart remarquable de l'allongement entre la partie

iriferieure (dessous) et supérieure (dessus) des prismes pour les bétons de rapport E/L de

0,32 (tableau 8.8). On a vu précédemment que cette catégorie (E/L = 0,32) présentait

des pourcentages d'étalement relativement élevés Iors du moulage, ce qui a eu pour

conséquence de Former une strate de coulis de ciment de 2 a 4 mm d'épaisseur dans la

partie inférieure du prisme. Les cycles répétés de geldégel ont eu pour résultat de

decoIler et fissurer cette couche, ce qui explique possiblement l'écart entre les deux

résultats sur le mème prisme.

A la lumière de ces résultats, on peut conclure que le nombre d'éprouvettes mises

a l'essai, une seule par série, était certes insuffisant.

Finalement, I'anaIyse statistique du tableau 8.7 confirme que les particules de

caoutchouc et les fibres de fonte n'ont pas d'influence sur la résistance aux cycles

accélérés de gel-dégel.

Tableau 8.8

Variation de l'allongement des faces A et B

pour les bétons de rapport E/L de 0,32

l I 1

*Résultats complets présent& h l'annexe D

8.2.8 Le coût

Le coût est vraisemblablement influencé par les trois facteurs clés. En effet,

l'analyse statistique présentée dans le tableau 8.9, à partir des valeurs du tableau 7.6,

présente une corrélation parfaite des trois facteurs clés avec des valeurs de P = O pour

chacun d'eux.

Premièrement, le rapport E/L influence de façon importante le coût. En effet, le

coût associé au superplastifiant pour les bétons ayant un rapport EL de 0,32 est de 25 $

comparativement a 40 $ pour un rapport EL de 0,27.

Deuièmement, on a voulu évaluer la performance du béton en substituant une

partie du sable par des particules de caoutchouc. Afin de déterminer l'influence

économique de cette substitution, il suffit de comparer le prix du sable et du caoutchouc

par rapport à l'ensemble des granulats. Le prix du sable est de 0,007 $/kg et de

0,43 $/kg pour le caoutchouc ; le coût en granulats pour les bétons ne contenant pas de

caoutchouc est de 85 $, comparativement à 100 $ pour les bétons avec caoutchouc. Cet

écart représente 7 3 % du coût total du mélange, si ce dernier est estimé à 200 $. Cette

différence est somme toute relativement limitée par le faible taux de substitution.

Finalement, les fibres contribuent elles aussi aux propriétés économiques. En

effet, le prix des fibres est de 14 $/kg, utilisées dans une proportion de 3 kg/m3, ce qui

représente un COQ total en fibres de 42 $/rn3. Lorsqu'on cherche à produire un béton à

200 $lm3, il semble inapproprié d'utiliser ce type de fibres compte tenu qu'elles ne

semblent pas avoir d'effet significatif sur le comportement du béton.

Tableau 8.9

Analyse de la variance du coût des bétons présentés dans le tableau 7.6

Somme des

carrés

8.3 Svnthèse des résultats

Caoutchouc

Fibres

Erreur

Total

Cette section a pour but d'évaluer la performance des bétons en comparaison aux

critères de conception élaborés au chapitre trois. Elle permet aussi d'établir les niveaux

Degré de

liberté

E/L

722

3 528

O

6562

Carrés

Moyens

1

1

4

7

Rapport

F

23 12 2312

Valeur de la

probabilité

(P-Value)

1

722

3528

O

0,OO

0,OO

0,OO

optimum des facteurs clés déterminés par le programme expérimental ainsi que le choix

du mélange rencontrant ces paramètres. On présente enfin un tableau synthèse de

l'évaluation des résultats obtenus pour le béton choisi par rapport aux valeurs cibles.

A la lumière de l'ensemble des résultats, on constate qu'il y a un écart entre les

valeurs cibles et les valeurs obtenues :

1 ) la masse volumique moyenne des bétons fabriqués s'écarte quelque peu de la valeur

cible par suite de la fluctuation de la teneur en air;

2) un étalement de 40 % semble être une limite de consistance adéquate pour la

méthode de mise en place choisie;

3) du point de vue mécanique :

la résistance à la compression est près de la moitié de la résistance

escomptée. Le dosage élevé en particules de polystyrène est à l'origine de ce

comportement;

la résistance à la traction moyenne pour I'ensemble des bétons fabriqués est

de 0,9 MPa. Cette valeur est somme toute acceptable considérant la valeur

de 1 ,O MPa fixée initialement.

dans le cas de la résistance à la flexion, la valeur moyenne de 2,2 MPa est

au-delà de la valeur escomptée considérant la faible résistance a la

compression;

4) les résultats concernant les performances a la durabilité sont favorables :

i ) la perte de masse moyenne à l'essai d'écaillage est bien inférieure à la limite

d'acceptabilité;

ii) la durabilité des bétons face aux cycles accélérés de gel-dégel est un peu

moins performante avec un allongement moyen de 469 ps après 302 cycles.

Quoique les résultats soient acceptables globalement, on doit tout de même

être prudent compte tenu de la diminution du nombre de cycles journaliers

qui a été réduit de 7 à 3;

5) le dernier élément a considérer est l'aspect économique, c'est-à-dire le coût des

matières premières entrant dans la composition des bétons. Le coût moyen pour

l'ensemble des bétons fabriqués est de 239 $lm3. Ce coût, bien que légèrement

supérieur à la valeur cible, reste acceptable.

Par suite de l'analyse statistique de la performance des bétons fabriqués. il est

maintenant possible de fixer l'optimum de chacun des facteurs clés étudiés. A cet effet,

le tableau 8.10 montre qu'il est préférable d'utiliser tous les niveaux infërieurs proposés

par le programme expérimental.

Tableau 8.10

Choix des niveaux des facteurs clés

- - -

Le choix de fixer le rapport E/L a 0'27 est acceptable a bien

FACTEURS CLÉS

des égards.

RAPPORT E/L

0,27

Premièrement, les résistances à la compression, à la traction et a la flexion obtenues avec

les bétons de rapport EL de 0,27 sont supérieures à celles obtenues avec les bétons de

rapport E/L de 0'32. Deuxièmement, les performances des bétons de rapport E/L de

0.27 aux essais de durabilité sont plus qu'acceptables. Le choix de ne pas utiliser de

particules de caoutchouc et de fibres de fonte est tout à fait justifié à pariir des résultats

% DE PARTICULES

DE CAOUTCHOUC

O

QUANTITB DE FIBRES

O

obtenus. D'une part, elles n'apportent aucune amélioration des propriétés du béton à

l'état frais et durci et. d'autre part, elles contribuent à augmenter substantiellement le

coüt.

En considérant les résultats obtenus et l'optimisation des facteurs clés, le béton

de la série 1 respecte les trois facteurs clés et est donc celui qui présente le meilleur

dosage parmi les huit séries mises à l'essai. Si l'on compare la performance du béton de

la série 1 par rapport aux valeurs cibles des paramètres de conception (tableau 8.1 l), on

constate que, mis à part la résistance à la compression et le coût, la performance de ce

béton est conforme aux critères de conception fixés.

D'autres essais réalisés en laboratoire portent à croire qu'il serait possible

d'augmenter légèrement la résistance à la compression à 7 ou 8 MPa et de diminuer le

coiit des bétons en choisissant un rapport E L intermédiaire, soit E/L = 0,29. Selon

l'auteur de ce travail, un tel rapport aurait pour avantage de réduire la quantité de

superplastifiant nécessaire, entraînant par le fait même une diminution des coûts. De

plus. il a été possible de constater, lors d'essais en laboratoire, qu'un tel rapport

produisait une meilleure rhéologie, apportant ainsi une plus grande compacité et donc

une meilleure résistance mécanique. Pour ce qui est de la durabilité, un rapport E/L de

0,29 devrait être tout aussi acceptable considérant la bonne performance des bétons

zyant un rapport E L de 0,32.

Tableau 8.1 1

Synthèse des résultats du béton de la série 1

INDICATEURS

hlnsse 1 Masse volumique

volumique (ASTbI C 185)

EWcmcni + Visuel

Allongcmcnt

Module dynamique

Nombre de cycles

(ASTMK666)

Pcnc dc muse

<1 I'écrillagc

(BNQ 2622420)

VALEURS

CIBLES

Pour lin de cunirdlc

Unc bonne cohérrion

sans stgrCgn~ion

10 MPa

h 28 jours

l MPa

28 jours . -. ... . -

Aucune

2SO p

60 %du modulc initial

300 qclclcs

38 %

Bonne cohésion

sw sbgrtgnrion

lonquc I'dralerncni

estdc40%

4,s MPa 1 0.9 MPa --k- 2,s M P r 1 d

150 p d

91 % J

301 cycles J

(25 cycles)

CHAPITRE 9

CONCLUSION

Les essais en laboratoire proposés dans ce programme expérimental ont permis

de développer un béton léger pouvant être utilisé dans la fabrication d'éléments destinés

à la vente au détail en utilisant des particules de pneus recyclés comme source de

granulat léger. Ces essais ont été réalisés en suivant un plan d'expérience pour trois

facteurs à raison de deux niveaux (2').

La masse volumique des bétons est excellente. En effet, tous les résultats

montrent une masse volumique inférieure à 1000 kglm3, telle que spécifiée par les

critères de conception. Considérant que le développement des éléments destinés à la

vente au détail repose en grande partie sur la légèreté du béton, il est de bon augure que

cette première contrainte soit validée.

Par contre, l'utilisation des particules de caoutchouc comme substitut granuIaire

ne semble pas être avantageuse. En effet, leur usage n'a pas permis d'amétiorer les

propriétés à l'état frais et durci du béton. Au contraire, elles ont plutôt provoqué une

diminution de la maniabilité et une augmentation des coûts. Du point de vue

économique, leur utilisation telle que préconisée dans le cadre de cette étude n'est pas

favorable. Cependant, ce travail de recherche ne se veut pas une étude exhaustive sur

l'utilisation des particules de caoutchouc dans le béton et d'autres types d'application

peuvent être envisagés.

Du point de nie des performances mécaniques et de durabilité l'utilisation des

fibres de fonte n'a pas donné les effets escomptés. Elles présentent même un effet

négatif significatif en ce qui concerne les coûts. Pour ces raisons, il n'est pas justifié

d'utiliser ce types de fibres dans le béton du présent programme de recherche. 11

faudrait maintenant vérifier si un autre type de fibres pourrait être plus adéquat, telle une

fibre de polypropylène, considérant le poids et le coût.

Du point de vue économique, la majorité des bétons fabriqués dans le cadre de

cette recherche présente un coût supérieur a l'objectif initial de 200 $/m3. Ces Ccarts

sont attribuables au dosage élevé en superplastifiant pour les rapports E L de 0,27 et au

prix élevé des fibres de fonte et des particules de caoutchouc. Il est donc raisonnable de

penser qu'il serait possible d'atteindre cet objectif en utilisant un rapport E L

intermédiaire et en excluant l'utilisation des particules de caoutchouc et des fibres de

fonte.

Les performances de tous les bétons aux essais de durabilité se sont révélées

excellentes. Ces résultats sont encourageants puisqu'ils permettent une plus grande

diversité dans la fabrication d'éléments, particulièrement pour des applications soumises

aux intempéries.

Pour la résistance à la compression, les résultats sont quelque peu décevants

compte tenu de la limite de 10 MPa fixée au départ. En effet, la résistance moyenne des

bétons fabriqués est de 4 MPa. Cependant, la valeur de 10 MPa était arbitraire puisque

le programme expérimental n'était soumis à aucune contrainte structurale. Néanmoins,

L'auteur croit qu'il serait possible d'augmenter légèrement les résistances à la

compression a 7 ou 8 MPa avec quelques modifications apportées au dosage. Par

contre, il est utopique de croire qu'il soit possible de fabriquer un béton de 10 MPa ou

plus en conservant la limite de coût fixée. Quant aux résistances à la flexion et à la

traction, elles sont relativement peu élevées. Cependant, elles ne représentent pas des

critères de conception importants pour le béton considéré dans cette étude.

L'expérimentation permet de croire qu'il est possible de développer des éléments

en béton léger pouvant être vendus dans les commerces au détail. En effet, les essais ont

montré la faisabilité de produire un béton ayant une masse volumique de 1000 kg/m3, à

un coût unitaire de 200 $ avec une excellente durabilité et une résistance à la

compression de 7 à 8 MPa. Cependant, les essais n'ont pas permis de conclure qu'il

était justifié d'utiliser du caoutchouc ou des fibres de fonte, puisqu'ils n'ont eu aucun

apport bénéfique sur les propriétés du béton à l'état plastique et durci.

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1,10, 11-20.

ANNEXE A

Mélanges d'essais pour ajustement des propriétés rhéologiques

ESSAIS PRCLIMINAIRES

ANNEXE B

Résultats des propriétés mécaniques des bétons étudiés

- -

Essais destructifs

ii ; & ..

Flexion O Traction , - - ~ 1

1 2A 3 4A 5 6A 7 8A

Échantillons

ANNEXE C

Résultats des essais de résistance a l'écaillage des bétons étudiés

CAROTTES DE &TON ESSAIS DE DURA~ILTTE

BON DE COMMANDE : DOSSIER No :

DATE DE FABRICAION :

NORME : BNQ26224tO

DATE DE R ~ E P T I o N ESSAIS EFFECTUES PL= DATE DES ESSAIS : O& b-qq

Auam écaillage ~caillage très léger (une distance maximale de 3 mm de profondeur sans gms granulat) ccaiilage léger 4 mad- kaillage modére (quelques gros granulais visibles sur 50 36 de la Surface) tcaillage modere a sévère (quelques gr&& visibles atr 75 % de la Surfa) kai~age severe (gras granula& visibles sur Wta La surfa)

CAROiTES DE BÉTON ESSAIS DE DURABILITE

CLIENT :

BON DE COMMANDE :

LOT No :

DATE DE FABRICATION :

NORME :

DOSSIER N* : N* ~CHAMILLON :

DATE DE R&EPTION :

BNQ262240 ESSAIS -6s PAR : DATE DES ES SAiS :

REMARQUES TABLEAU D'INDICE b'tCAJLLAGE DE SURFACE

~ u c m ecaiiiage ha i~age tres léger (une distance m a d e de 3 mm de profondeur sans gros granuiat) taitlage léger a modéré . kaillage modére (quelques gros granulats visibles suf 50 % de la surfm) kaillage modéré a sévére (quelques granuiats visibles sur 75 % de la sufface) &~age sévére (gros granulais visibles art toute la swface)

CAROTTES DE &TON ESSAIS DE DURABUTE

CLIENT :

BON DE COMMANDE : DOSSIER N' :

LOT N' : N* ÉCHAMILLON :

DATE DE FA0R 1 CATON : DATE DE R&EPTION :

NQRME : BNQ262240 ESSAIS EFFECTUtS PAR :

DATE DES ESSAIS :

REMARQUES TABLEAU D'INDICE D'!~AILIAGE DE SURFACE

Aveun écaiilage kaiilage Ires leger (une di- maximale de 3 mm de profondeur sans gros granulat] kaiîage léger a modére . kaillage modeie (quelques gros granufats visiiles air 50 31 de la surlace) tcaillage modère à s é v h (quefques granulats visibles sw 75 % de la surface) kaillage çévére (gros grmiab visibles sut bute la

ANNEXE D

Résultats des essais de résistance aux cycles accélérés de gel-dégel des bétons étudiés

Allongement unitaire (alfa)

Ln :allongennient (mm) '1%: iempkrature du prisme lors de la mesure Alfa: allongement unitaire (mdmm)

Allongement unitaire (alfa)

TOC: tcmpérature du prisme lors de la mesure

Alfa: allongement unitaire (nim/mm)

Module d'élasticit6 dynamique relatif

Pc : module d'élasticitd dynamique relatif (%) N, : frequence magnétique aprés C cycles de geUdégel N : fréquence rnagnCtique A O cycle