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Une méthode de formulation des bétons de sable à ... Une méthode de formulation des bétons de sable à maniabilité et résistance fixées Gilles CHANVILLARD Docteur dp I Université

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  • Une méthode de formulation des bétons de sable à maniabilité et résistance fixées

    Gilles CHANVILLARD Docteur dp I Université de Sherbrooke ingénieur des, (uvaux publics do I Etat

    Olivier BASUYAUX ln

  • présentent alors des limitations évidentes. En ce qui concerne les résistances, une extension de la formule de Féret a d'ores et déjà été publiée, pre- nant en compte le rôle des ajouts tels que la fumée de silice, les cendres volantes ou les f i l - lers calcaires [5].

    Par contre, concernant l 'ouvrabil i té , l'approche est plus délicate. En effet, pour les bétons ordi- naires, cette propriété a principalement été cor- rélée au dosage en eau [6], [1], [3]. Dans le cas des bétons contenant des adjuvants rhéologiques (plastifiants, superplastifiants), i l faut plutôt considérer une notion de viscosité de pâte. A i n s i , dans la méthode des coulis [7], i l est fait l 'hypo- thèse que deux bétons formulés avec des pâtes de viscosité identique auront m ê m e ouvrabilité quelle que soit la composition de ces pâtes. Cette méthode permet rapidement d 'é tendre des for- mulations de bétons ordinaires vers des bétons à hautes performances.

    Les bétons de sable font partie de ces nouveaux bétons aux propriétés spécifiques intéressantes (finesse granulométr ique, ouvrabili té ...), pour lesquels la démarche de formulation demeure très empirique [8].

    Différentes approches ont déjà été envisagées [9, 10] pour appréhender les caractéristiques de résistance des bétons de sable. Par contre, la prise en compte de l 'ouvrabil i té comme critère de formulation demeure complexe. En effet, la pâte de ces bétons contient toujours, en supplé- ment du ciment et de l'eau, un ou des fillers cal- caires et un adjuvant rhéologique, de façon à limiter le dosage global en ciment au m ê m e ordre de grandeur que celui utilisé dans les bétons ordinaires. Par suite, le filler calcaire (dont la granulométr ie s'apparente à celle du ciment) intervient à deux niveaux dans la démarche de formulation, d'une part dans l 'opti- misation de la compaci té , et d'autre part dans les propriétés de viscosité de la pâte qui conditionne l 'ouvrabil i té. Il n'est plus possible de dissocier ces étapes.

    Nous proposons dans cette étude une méthode de formulation qui allie les notions d'optimisation de la compaci té et de recherche d'une ouvrabilité fixée, à partir d'un sable dont la granulométrie est imposée. L a prévision des résistances méca- niques suit, avec une extension classique, des formules de type Féret.

    Optimisation de la compacité

    Notion de compacité L a compaci té d'un béton est définie comme le volume occupé par les éléments solides rapporté au volume total. El le est bien sûr complémen- taire à la porosité.

    Caquot [11] a pu établir expérimentalement une relation mathémat ique entre la porosité d'un empilement granulaire, celui-ci étant caractérisé par un diamètre d des éléments les plus fins et un diamètre D des éléments les plus gros (équation 1).

    où p 0 est une constante expérimentale.

    Notons que la validité de cette équation est l imitée aux mélanges dont les proportions de chaque constituant dans l 'é tendue granulaire (E.G) sont également optimisées en termes de compacité . Autrement dit, la compacité optimale ne dépend pas uniquement de l 'é tendue granu- laire, mais également de la répartition granulo- métrique des grains.

    Du béton traditionnel au béton de sable Dans une démarche de formulation d'un béton traditionnel, la compaci té résulte principalement d'une optimisation du mélange gravillons - sable - ciment. E n pratique, i l se trouve que, après une telle optimisation, le dosage en ciment nécessaire à l'obtention d'une bonne compacité (ce qui permet de contribuer à la durabilité) est également suffisant en terme de résistance, moyennant bien sûr un dosage en eau adéquat (béton ouvrable).

    Dans le cas des bétons de sable, l 'é tendue granu- laire est bornée supérieurement à 5 mm par l 'ab- sence de gros granulats. I l apparaît alors évident qu'un mélange ciment - sable présentera une porosité plus élevée que la porosité d'un béton traditionnel, conformément à la formule de Caquot. Par suite, l 'optimisation du dosage de chaque constituant, pour la compaci té , conduit à des dosages en ciment très élevés, de l'ordre de 600 à 700 kg /m 3 ; c'est le cas des mortiers.

    C'est pourquoi, un constituant de granulométrie voisine de celle du ciment est toujours utilisé dans la formulation d'un béton de sable. Cet ajout, un filler généralement, permet de limiter le dosage en ciment du béton et les phénomènes physiques associés, ainsi que son coût, bien sûr.

    Enfin, pour augmenter la compaci té du béton de sable, i l faut revenir sur l 'é tendue granulaire. Une voie possible, puisque l 'é tendue granulaire est bornée supérieurement, consiste à diminuer le diamètre des éléments les plus fins.

    Nous avons envisagé l 'utilisation d'un consti- tuant très fin, un microfiller d 'é tendue granulaire 0/10 um.

    L a formulation d'un béton de sable relève alors de l'optimisation de la compacité d'un mélange quaternaire : sable - ciment - filler - microfiller.

    50 BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 2 0 5 - SEPTEMBRE-OCTOBRE 1 9 9 6 - RÉF. 4 0 4 7 - p p . 4 9 - 6 3

  • E n fait, i l est préférable de travailler en termes d 'é tendue granulaire. L a figure 1 illustre les gra- nulométries de chacun des constituants retenus dans cette étude. Les courbes granulométriques des fillers calcaires sont issues des documenta- tions techniques des produits, et la courbe du ciment a été obtenue par granulometrie laser.

    Expérimentalement , nous avons découplé deux niveaux d'optimisation ; l 'optimisation de la compaci té de la pâte (mélange filler - ciment - micro filler) et l 'optimisation de la compaci té du mélange sable - pâte.

    Passant cumulé (%) 1 0 ° - Micro f i l le r / C i m e n t -90 -

    80 - 70 - 60 - 50 _ 40 - 30 _ 20 - 10 -

    0 L _ 0,1

    calcaire Filler 'calcaire

    Sable naturel

    10 100 1000 10 000 Diamètre (u.m)

    Fig. 1 - Courbes granulométriques des matériaux utilisés.

    Optimisation de la compacité de la pâte

    Il s'agit de trouver les proportions des consti- tuants filler - ciment - microfiller qui produisent la meilleure compaci té . Cette optimisation a été conduite par des mesures de demande en eau. Dans un malaxeur, conforme à la norme N F E N 196-1, on introduit environ 500 g de poudre. On ajoute progressivement de l'eau en malaxant à petite vitesse. Le mélange passe alors d'un état de poudre à un état de boulettes humides, puis devient une pâte lisse homogène . Il s'agit bien sûr d'une appréciation visuelle, mais un m ê m e opérateur présente une variabilité réduite s ' i l procède suffisamment lentement [12]. L a quan- tité d'eau nécessaire pour obtenir une pâte homogène correspond à la demande en eau et permet de calculer la compaci té de la poudre (c) selon l 'équation.

    1

    1 + P e / P e

    Pl P 2

    (2)

    où P e , P p , Pp^ sont respectivement les masses d'eau, de poudre 1, de poudre 2 et p t , p 2 , p e les masses volumiques de chaque poudre et de l'eau.

    Le tableau I présente, pour chaque constituant, les compacités avec et sans adjuvant fluidifiant (dosé à 2 % d'extrait sec par rapport au poids de poudre de façon à assurer la saturation).

    TABLEAU I C o m p a c i t é s d e s c o n s t i t u a n t s avec et s a n s ad juvan t

    Sans adjuvant Avec adjuvant

    Microfiller calcaire 0,56 0,59

    Filler calcaire 0,58 0,60

    Ciment 0,51 0,56

    Microfiller sil iceux 0,42 0,42

    Filler siliceux 0,52 0,56

    Il ressort de ce tableau I que seul le microfiller siliceux est peu sensible au défloculant. I l pré- sente par ailleurs une compaci té très faible (ceci pouvant provenir du caractère anguleux de ses grains obtenus par broyage de quartz). Nous constatons également que les compacités des f i l - lers calcaires sont supérieures à celles des fillers siliceux.

    Nous avons alors retenu pour l 'optimisation de la pâte uniquement les fillers calcaires. Deux mélanges binaires ont été réalisés, ciment - filler et ciment - microfiller.

    Dans chacun de ces mélanges, nous avons fait varier la proportion d'un des constituants de 0 à 100 % et mesuré, pour chaque dosage, la demande en eau, toujours en assurant la satura- tion en fluidifiant.

    Les courbes obtenues sont en cloche et mettent facilement en évidence les proportions optimales de chaque constituant (fig. 2).

    o 1 O

    100 0,64

    0,62

    0,60

    i 0,58

    •0,56

    'o,54

    0,52

    0,50

    80 60 40 Ciment (%)

    20 0

    0,63. ^ 6 2 ^ - » . ^

    0 , 6 1 ^ ~ 0,60 0,59

    ' o ,56

    1 1 1

    20 40 60 80 100 Filler (%)

    Fig. 2 - Compacité du mélange ciment/microfiller calcaire. a et ß sont tes proportions optimales de ciment et de filler.

    L'opt imum de compaci té du mélange ciment - microfiller est obtenu pour des proportions res- pectives de 70 et 30 %.

    E n ce qui concerne le mélange ciment - filler calcaire, nous n'avons pas pu mettre en évidence une compaci té optimale. Cec i s'explique par les granulométries de ces deux constituants, qui son

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