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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté des sciences appliquées
Département de genie civil
ETUDE D'UN NOUVEAU PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE BÉTON COMPACTÉ
AU ROULEAU PAR ADDITION DE COULIS DE CIMENT DANS UN &LANGE
GRANClLAIRE
Memoire de maltrise ès sciences appliquées
Spécialité : génie civil
Sherbrooke (QuCbec), CANADA
Serge LEPAGE
Juiliet 1996
National Library ($1 of Canada Bibliothèque nationale du Canada
Acquisitions and Acquisitions et Bibliographic Services services bibliographiques
395 Weltington Street 395. rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 OttawaON KtAON4 Canada Canada
Ywr6 le vons r t l k i m
OU^ m one ni-
The author has granted a non- L'auteur a accordé une licence non exclusive licence allowing the exclusive pemettant à la National Library of Canada to Bibliothèque nationale du Canada de reproduce, loan, distnbute or sell reproduire, prêter, disûibuer ou copies of this thesis in rnicroform, vendre des copies de cette thèse sous paper or electronic formats. la fome de microfiche/fïhq de
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The author retains ownership of the L'auteur conserve la propriété du copyright in this thesis. Neither the droit d'auteur qui protège cette thèse. thesis nor substantial extracts fiom it Ni la thèse ni des extraits substantiek may be printed or otheMrise de celle-ci ne doivent être imprimés reproduced without the author' s ou autrement reproduits sans son permission. autorisation.
SOMMAIRE
Cette étude porte sur la possibilité de fabriquer du béton compacte au rouleau en injectant un
coulis de ciment dans un matériau granulaire. Certains BCR sont fabriqués de fapn
conventionnelle, d'autres par ajout d'un coulis dans le matériau granulaire. Des paramétres
comme l'influence de la teneur en air, du rapport En et du type de matériau cimentaire sont
Cgalement étudiés.
Pour chacun des BCR fabriqués, des essais de maniabilit6 Vebe, de teneur en air, de masse
volumique et de résistance à la compression sont &dis&. De plus. des essais de module
d'élasticité sont effectués sur certains mélanges.
Les résultats du programme expérimentai tendent à montrer que la méthode de fabrication
(conventio~eile ou par ajout de coulis) n'influence pas sigmficativement les propriétés du BCR à
l'état frais ou durci. De plus, les résultats des essais de maniabilité Vebe indiquent qu'il existe une
relation unique entre le temps Vebe et le iaw< de remplissage des vides granulaires (VpNvc).
C'est donc dire que le type de rnaeriau cimentaire, la méthode de fabrication du BCR ou le
rapport En ont un effet plutôt négligeable sur la maniabilité des BCR destinés aux ouvrages
massifs.
L'étude confrmie l'importance de la prise en compte du rapport VpNvc lors de la formulation
d'un BCR, puisqu'il a éte demontré que la maniabilité du BCR est essentiellement fonction de ce
paramètre. Les maniabilit6s optimales sont systématiquement obtenues avec des rapports VpNvc
compris entre 0,95 et 1,OO. De plus, d'autres essais ont confm6 que la masse volumique et les
propriétés mécaniques sont, elles aussi, optimales lorsque le rapport VpNvc est compris dans
cette même plage.
L'air entraîne amtliore la maniabilité et, par consdquent, facilite le compactage du BCR.
Cependant, le volume d'air mesuré avec I'dromètre doit être comg6 avant de l'inclure dans le
calcul du volume de pâte pour connaître le taux de remplissage des vides granulaires. Par ailleurs.
pour les BCR ayant un temps Vebe initial d'au moins 40 secondes. il n'existe pas réellement de
relation entre la résistance à la compression et la teneur en air lorsque celle-ci se situe entre 1 et
6%. Enfin, la capacit6 de !'aérom&tre à mesurer le volume de tous les vides dans le BCR semble
diminuer à mesure que la quantité d'air entrafnd diminue.
REMERCIEMENTS
le desire d'abord exprimer ma plus grande gratitude ii mon directeur de recherche, Monsieur
Richard Gagné, et à mon codirecteur, Monsieur Pierre-Claude Aïtcin, professeurs à l'Université de
Sherbrooke. pour leurs précieux conseils, leurs encouragements et le temps qu'ils ont consacré au
projet qui m'ont grandement aidés pour la dussite de ce mémoire.
J'adresse aussi un merci sincère h ma conjointe, Sandra Martel, pour la correction de ce texte ainsi
que son important soutien pendant les moments difficiles de la maîtrise.
Je tiens remercier également tout le personnel du groupe de recherche sur le béton de
l'Université de Sherbrooke et plus particulièrement Messieurs Mario Rodngue et Jean-Yves Roy
pour leur aide inestimable dans l'exécution des gâchées et des essais, Madame Ghislaine Luc pour
son aide très appréciée dans les essais de module d'élasticité et Messieurs Michel Lessard et Éric
Dallaire pour leur excellente collaboration.
Je remercie spécialement M. Alain Prézeau de Hydro-Québec, M. Stalustio Guman de la
compagnie QiT Fer et Titane inc. et le CRSNG pour leur appui fmancier, par lequel ils ont rendu
possible la réalisation de ce projet
TABLE DES MATIÈRES
.............................................................................. ....................... . 1 0 INTRODUCTION ..
2.0 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE .....................................................................................
2.1 Le bCton compacte au rouleau ..................................................................................
.................................................................................................. 2.2 Les deux approches 2.2.1 L'approche des sols .......................................................................................... 2.2.2 L'approche béton ...........................................................................................
2.3 Le BCR pour les barrages-poids .................................................................... ... .... ................................................................................... 2.3.1 Les avantages du BCR
2.4 Matériaux entrant dans la fabrication du BCR pour les barrages ............................... 2.4.1 Les liants ......................................................................................................... 2.4.2 Les granulats .................................................................................................
.................................................................................................. 2.4.3 Les adjuvants 2.4.4 L'eau ..............................................................................................................
2.5 Les propriétés physico-mécaniques des BCR ...................... .. ................................. 2.5.1 La résistance à la compression .........................................................................
........................................................................ 2.5.2 La résistance au cisadement 2.5.3 Le module d'élasticité ....................................... ... 2.5.4 Le fluage et le retrait .......................................................................................
...................................................................................... 2.5.5 La masse volumique .................................................................................... 2.5.6 La permeabilité à l'eau
2.5.7 La durabilité ....................................................................................................
2.6 Les essais au laboratoire ........................................................................................... 2.6.1 La détermination de la maniabilité ....................................... .. ................ 2.6.2 La confection des Cprouvettes .........................................................................
2.7 Les mdthodes de formulation ........................................................ 2.7.1 La mkthode du BCR pauvre en liant (the lean RCC method) 2.7.2 La mkthode simpmée des sols (the simplifed soils method) 2.7.3 La m6thode du BCR riche en liant (the high-paste method) . 2.7.4 La methode japonaise (the RCD method) ........................................................ 2.7.5 La methode de la corporation des ingenieurs de l'ami& americaine (the 3û
U.S. A m y Corps of Engineers method) ..........................................................
.................................................................................. 2.8 La production du BCR .. .....
3.0 BUT DE LA RECHERCHE ET PROGRAMME DES ESSAIS ..................................... 34
..................................................................................... 3.1 Expost de la problbmatique 3.2 Objectifs du projet ................................................................................................... 3.3 Méthodologie ......... ... ..........................................................................................
4.0 MATÉRIAUX. MÉLANGES . PROCÉDWRES DE MALAXAGE ET DES ESSAIS .....
4-1 Matériaux ............................................................................................................... 4.1.1 Le ciment .................... .... ............................................................................... 4.1.2 Les granulats ..................................................................................................
...................................................................................... . . 4 L 3 Les cendres volantes ................................................................................................. 4.1.4 Les adjuvants
4-2 Les mdlanges ...........................................................................................................
4.3 Procédures de malaxage ................... ..... .... ... .................................................... 4.3.1 La méthode conventionnelle ........................................................................ 4.3.2 La methode par ajout de coulis .......................................................................
4.4 Procédures de essais ................................................................................................ ............................................................................ 4.4.1 L'essai de maniabilité Vebe
4.4.2 La mesure de la teneur en air .......................................................................... 4.4.3 La mesure de la masse volumique ................................................................... 4.4.4 La confection et l'entreposage des t prouvenes ............................................... 4.4.5 La dt5temination du volume des vides compactés dans les granulats (Vvc) .....
5 .O PRÉSENTATION DES RÉSULTATS ..........................................................................
5.1 Relation entre le taux de remplissage des vides granulaires (VpNvc) et la maniabilité .................................. .. ..........................................................................
5.2 Compacité des BCR en fonction du temps Vebe et du rapport VpNvc .................... 5.2.1 Compacité du BCR en fonction du temps Vebe ........................ ... ................ 5.2.2 Masse volumique du BCR en fonction du rapport VpNvc .............................
5.3 Infiuence de l'air entraîné sur la maniabilité du BCR ..................................... .........
5.4 Relation entre le pourcentage d'air (aérom8tre) et le pourcentage de vides de compac tage ...........................................................................................................
5.5 Prop&és mécaniques des BCR ............................................................................. 5.5.1 Relation entre la résistance la compression et le taux de remplissage des
............................................................................................ vides granulaires 5.5.2 Relation entre la résistance à la compression et le rapport En ........................
5.5.3 Relation entre le module dT61asticité et la résistance iî la compression ............. 5.5.4 Relation entre la r6sistance à la compression et le pourcentage d'air entraîné ..
5.6 influence de 1'OPP sur les propriétés du BCR ........................................................ 5.6.1 Effet sur la maniabilité .................................................................................... 5.6.2 Effet sur la résistance .................. .,. .. ., ...........................................................
6.0 DISCUSSION DES RÉSULTATS ................................................................................
6.1 Faisabilité de la technique de production d'un BCR par ajout d'un coulis de ..................................................................................................................... ciment
6.1.1 RoprWs du BCR fabrique par ajout de coulis de ciment ............................. 6.1.2 Technique de production du BCR fabrique par ajout de coulis de ciment
dans une usine à débit continu ........................................................................ 6.1.2.1 Principe de fonctionnement d'une usine de Mton bitumineux ii débit
continu .............. ...,.,. .......................................... ........................... 6.1.2.2 Avantages d'une usine à béton bitumineux A debit continu pour la
production d'un BCR .........................................................................
6.2 Relation généraie entre la maniabilité du BCR et le taux de remplissage des vides granulaires ............................................................................................................
6.3 Développement d'un modèle mathématique simple pour la prédiction de la résistance à la compression d'un BCR pour barrage ..............................................
6.4 Commentaires à propos de l'influence de l'air entraînk sur la maniabilité du BCR ..
........................................................................ .................................. CONCLUSION .,,
........... ...................*.*...........................................................*..*.......*.. BIBLIOGRAPHIE ,.
LISTE DES F I G W S
Figure 2.1 Barrages en BCR complétés à la fin de l'année 1985 ............................................
.......................................... Figure 2.2 Barrages en BCR complétés à la fui de l'année 1992
Figure 2.3 Comparaisons des coûts de construction des barrages-poids en béton ..................
Figure 2.4 Sections cypiques de barrages-poids .............................................................
Figure 2.5 Relation entre la teneur en eau et la résistance la compression d'un BCR ..........
Figure 2.6 Relation entre la masse volumique d'un BCR et le rapport volumique ........................................................................................................ pâtelrnortier
Figure 2.7 Relation entre la teneur en ciment et la pemtabilité & l'eau d'un BCR .................
.............................. Figure 2.8 Effet du rapport E K sur le coefficient de permeabilité & l'eau
Figure 2.9 Appareillage servant A l'essai Vebe ......................................................................
............................................................................. Figure 2.10 Appareil de type « Kango »
Figure 2.1 1 Usine de béton ii debit continu ...........................................................................
Figure 2.12 Malaxeur de type « pu@ » .............................................................................
Figure 4.1 Courbes granulomttriques des 5 granulats utilisés ................................................
.......... Figure 4.2 Courbes granulornétriques du combiné utilist ainsi que du fuseau de l'AC1
.......... Figure 4.3 Courbes granulom6triques du ciment de type 2OM et des cendres volantes
Figure 4.4 Organigramme de la phase 1 ................................................................................
Figure 4.5 Organigramme de la phase II ...............................................................................
Figure 4.6 Organigramme de la phase III ..............................................................................
............................................................................ Figure 4.7 Organigramme de la phase IV
.................................................. Figure 4.8 Malaxeur utilise pour tous les mClanges de BCR
.......................... Figure 4.9 Représentation schkmatique de l'essai Vebe ... ......................
Figure 4-10 Appareil de type u Kango m ...................-..*.*.....-.-..--...-..-................-.........-..... ...
Figure 4.1 1 Représentation schkmatique de l'appareillage servant à mesurer le volume des vides corn pactés dans les granulats . .- .. . ..................... . .... . ... - -..-.---.-.. . . -. . . .-. -. .
Figure 5.1 Relation entre le taux de remplissage des vides granulaires et le temps Vebe pour les BCR de la phase 1 ............................................................ ..-..-. . ....-.-.- -...
Figure 5.2 Relation entre le taux de remplissage des vides granulaires et le temps Vebe des BCR des phases 1, III, IV ............................................................................ --
Figure 5.3 Relation de la masse volumique mesurée avec l'aéromètre en fonction de la masse volumique mesurée suite à l'essai Vebe .....................................................
Figure 5.4 Relation entre les vides de compactage et le temps Vebe des BCR de la phase 1 ............................. . .............. ....................................................................
Figure 5.5 Relation entre la masse volumique du BCR et le taux de remplissage des vides granulaires ............................... ........................................................ . ......-..
Figure 5.6 Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires avant la correction sur l'air entraîné -............... .. ...............................................
Figure 5.7 Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides pula i re s après la correction sur l'air entraîne .....................................................................
Figure 5.8 Relation entre les vides de compactage et la teneur en air mesurée sur 1' &rom2 tre . . . . . . , . . . . . . . . . . . . -. . . . . . . . . . - -. . . -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -. . . . - - -. - - - . -. -. -. - . . . . . . .
Figure 5.9 Relation enue la résistance à la compression et le taux de remplissage des vides granulaires .... .. . . . . . . . . .. ..... . . . . .... .. .-. .... . . .. ..-. . . . .-. ... -. ... .... ..-...-. .. . ... -. -. . . . . .. ..
Figure 5.10
Figure 5.1 1
Figure 5.12
Figure 5.13
Figure 5.14
Relation entre la résistance à la compression et le rapport En (VpNvc= O , 9 ' i d , O i ) ........................................ .........................................
Relation entre la résistance 2 la compression et le module d'élasticité .................
Relation entre la résistance iî la compression et le pourcentage d'air entraîné.. . . . . .. . . ., .. . . . . . .. . . . . . . . .. ... . . . . ..... . ,. . .. .. . .. . ... .. ...... ... ... ... . ... . . ........-... .. ... . . -. . . . . .,,.
Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .
Comparaison des résistances il la compression des BCR avec cendres volantes et ceux avec de 1'OPP ................................................................. ,,.,
Figure 6.1 Schéma d'une centrale de type TSE à dtbit continu ............................................. 75
Figure 6.2 Dosage volurnttrique par réglage de la hauteur de la porte .......................... ........ 75
........................... Figure 6.3 Représentation schtmatique d'une usine 2 BCR à débit continu 76
Figure 6 -4 Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires de plusieurs BCR ................................................................................................ 77
Figure 6.5 Surface de réponse de la résistance à la compression à 9 1 jours en fonction du durapportEnetdutauxderemplissagedesvidesgranulaires ............................ 81
Figure 6.6 Représentation schématique de l'influence de la dimension des vides d'air sur la maniabilité du BCR ................................................................................... 83
LISTE DES T B L E A U X
Tableau 2.1 Caracréristiques typiques des melanges de BCR .................... .. ......................
Tableau 2.2 Comparaison des p~cipaies caractéristiques des BCR selon les deux approches .................................... ... ..................................................................
...... Tableau 2.3 Temps de construction et taux de production de quelques barrages en BCR
Tableau 4.1 Analyse chimique du ciment de type 20M ..........................................................
.............................................. Tableau 4.2 Composition de Bogue du ciment de type 20M
Tableau 4.3 Distribution granulométrique des granulau fms et grossiers et du combiné utilisé (en 8 passant) ................... .. ...............................................................
Tableau 4.4 Analyse chimique des cendres volantes de classe F ............................................
Tableau 4.5 Formulation des mélanges des BCR de la phase I ..................................... ... ......
Tableau 4.6 Formulation des melanges des BCR de la phase II .............................................
Tableau 4.7 Formulation des mélanges des BCR de la phase iII ............................................
............. Tableau 4.8 Formulation des mdlanges des BCR de la phase IV .................... ...
Tableau 5.1 Maniabilité et taux de remplissage des vides granulaires des BCR sans air entraîné (phase 1. III. N) ................................................................................
Tableau 5.2 Masse volumique et compacité des BCR ............................. .. ......................
Tableau 5.3 ProprXxés mécaniques des BCR ........................................................................
Tableau 6.1 Résisiances il la compression mesurées et calculées avec le modèle mathématique ....................................................................................................
1.0 INTRODUCTION
Depuis la création de l'entreprise, Hydro-Quebec a construit de nombreux barrages en béton et en
enrochement. Les premiers developpemen~ des complexes hydroélectriques furent il proximité
des grands centres (le bamge de Beauhamois, par exemple). A cette époque, les barrages-poids
en béton répondaient très bien aux exigences de construction en raison, d'une part, de la faible
perméabilité du matériau et, d'autre part, du faible coût de transport du ciment étant donné la
proximité des cimenteries.
Lors du developpement du complexe de la Baie-James. la solution en béton conventionnel s'est
souvent révélée plus ondreuse en mison de i'tloignement du site de construction et de la courte
saison de bétonnage. Pour pouvoir remédier ce problème géographique, Hydro-Québec s'est
tournée vers une autre technique de construction: les barrages en enrochement
Cependant, aux endroits où tous les matériaux granulaires ne sont pas disponibles a proximité du
site, le coût de consuuction de ces ouvrages en terre augmente très rapidement. C'est ainsi qu'est
apparu un nouveau materiau: le béton compacté au rouleau (BCR). Les avantages reliés à ce
beton sont nombreux et répondent bien aux exigences particulières des chantiers de construction
d'ouvrages hydroélectriques du grand nord québécois:
la plus grande résistance au cisaillement du BCR par rapport au remblai permet une réduction
significative de la section et du volume du barrage. Cet avantage devient trés important lorsque
la p6n& de mise en place des matériaux est courte;
possibilité d'intégrer la centrale et l'évacuateur de crues A la structure même du barrage;
les barrages en BCR n'ont pas besoin d'un noyau d'étanchéité fait de materiaux trh fm. Ces
matériaux fms ne sont pas toujours disponibles sur place dans toutes les régions;
le BCR, de par son faible contenu en ciment permet d'une part, de diminuer les coûts de
transport du ciment sur le site et, d'autre part, de diminuer les risques de fisuration thermique
pendant la consuuction.
Cependant, les techniques de fabrication actuelles de BCR ne permettent pas toujours de fournir
adéquatement l'équipe de mise en place au chantier, ce qui se traduit par des retards importants
sur l'échdancier du projet
Dans ce mkmoire de maîtrise, on tnidiera la possibilité de fabriquer du BCR dans des usines
mobiles de béton bitumineux à debit continu en injectant un coulis de ciment dans le matériau
granulaire. De cette manière, des taux de production très Clevts pourraient être atteints.
2.0 R E W E BIBLIOGRAPHIQUE
2.1 Le béton mmpacté au rouleau (BCR)
Le béton compacté au rouleau est d é f ~ , par I'Amprican Concrete Imtitute (ACI), comme &nt
un beton compacté par des rouleaux vibrateurs compacteurs qui, il 1'Ctat frais, supporte la
machinerie pendant le cornpactage [Amerkm Society of Civil Enginers, 19931. Cr béton est
compose des mêmes ingrédients qu'un beton conventionnel, à l'exception des proportions qui
changent quelque peu pour obtenir un melange sans affaissement. Le BCR à l'état frais doit être
assez consistant pour supporter les huipements de mise en place et de compactage. Pour obtenir
cette consistance tlevée, il s&t d'ajuster la proportion de pâte dans le melange. En f a i ~ le BCR
diffère du sol-ciment, dont la mise en place est similaire, principalement dans le contenu des gros
granulats et par le dt5veloppernent des propriétés mécaniques semblables au bdton conventio~el.
De plus, comme dans les sols granulaires, la qualité du produit est directement reliée à la
granulométrie des granulats fins et grossiers, à la quantité d'eau dans le mklange et au degré de
corn pactage.
Le BCR est le résultat des effons effectués pour formuler un béton économique destiné à la
construction des barrages. En 1960, du bdton a tt6 plad par des <<bulldozers» et consolidé par
des vibrateurs aux barrages de Alpe Gere en Itaiie et de Manicouagan 1 au Canada [AC1
Cornmittee Report, 19881. Cependant, ce n'est qu'en 1970 que l'idée de mettre en place et de
compacter un remblai enrichi de ciment est réellement hise dans une conférence. Dès lors, on
constate que l'augmentation de la résistance au cisaillement d'un matériau granulaire stabilisé par
du ciment peut diminuer passablement la section du barrage comparativement à une section
typique de celui en enrochement Ainsi, puisque la méthode de mise en place est identique, cene
solution permet de diminuer le temps de constniction et, par conséquent, le coût total de
l'ouvrage. Par la suite, quelques travaux en BCR de faible importance ont Cté réaüsés. Au milieu
des années 70, le concept d'un barrage-poids économique a réellement fait un bond en avant
lorsqu'on a découvert que la section d'un barrage en enrochement pouvait être dduite à celle d'un
barrage de béton de masse conventionnel avec une face avale verticale. C'est en 1982 que fût
construit le premier barrage d'importance entiiirernent en BCR, soit celui de Willow Creek, aux
Étatsunis. Depuis ce temps, cette technique de constwtion a Cté fortement utilisée dans le
monde entier comme le montrent les figures 2.1 et 2.2.
Figure 2.1: Barrages en BCR compl&és à la fm de l'annke 1985 [tiré de Dunstan, 19921
Figure 2.2: Barrages en BCR complétés la fui de l'année 1992 [tiré & Dunstan, 19921
lusqu'& maintenant, les BCR sont plincipalement employés dans deux types de constniction: les
barrages et les routes. La formulation ainsi que les proprit5tés désirtes du BCR pour les barrages-
poids sont assez diff6rentes de ceiles des BCR utilisés pour les applications routi8res. Dans le cas
des bamges, le beton contient moins de cimenl plus d'ajouts cimenta& et plus de gros granulats
pour, entre autre, réduire au maximum le dégagement de la chaleur accompagnant l'hydratation du
ciment portland. Étant dom6 que les routes sont soumises à des conditions en semice plus
sévères, comme l'abrasion et les cycles de gel-degel en présence de sels de dbglaçage, et que les
problèmes de ddgagement de chaleur ne se posent pas, la quantité de ciment portland y est
gknkralernent supkrieure. Le tableau 2.1 compare les caracdristiques typiques de ces deux
principales utilisations. Il est important de noter qu'il est possible de rencontrer des valeurs
diffkrentes selon l'endroit ou les critères de performance exigés.
Enfin, étant dome que le projet de recherche porte sur les bétons compactés au rouleau pour les
barrages, la suire de ce chapim est consacrée entièrement aux BCR servant pour ce type de
cons truc tion.
Tableau 2.1 Caractéristiques typiques des rnCIanges de BCR [tiré de Marchand, 19891.
Caractéristiques du Routes Barrages mélange
Teneur en matières cimentaires 250 - 350 70 - 250 @dm3)
Ajouts cimentaires O - 20 O - 70 (9% de la masse de liants)
Dimension du gros granulat 20 50 (mm)
Passant le tamis 5 mm 56 35 (96)
Type de ciment noxmai faible chaleur d'hydratation
2.2 Les deux approches
Dans le développement de la technologie des bétons compact& au rouleau, deux philosophies ou
approches de conception se sont developpées: l'approche des sols et œUe du béton. En fait, il n'y
a pas réellement de frontiere nette entre ces deux approches. À la base. les BCR produits avec
l'approche du béton ont une consistance plus humide et ils sont plus ouvrables que ceux produits
avec l'approche des sols. Cependant. quelle que soit l'approche choisie, le BCR est un béton sans
affaissement. Le tableau 2.2 compare quelques caractéristiques de ces deux types de BCR pour
les banages.
2.2.1 L'approche des sols
Cette approche considère le BCR comme un sol enrichi de ciment pour lequel la conception du
mélange est basée sur la courbe de compactage optimum Proctor. Le bur est d'obtenir la masse
volumique la plus Clevée avec un granulat et une teneur en ciment spécltik De plus, la résistance
2 la compression est maximale lorsque la masse volumique sèche est optimale. Dans cette
approche, la pâte (ciment, ajouts et eau) ne remplit pas tous les vides granulaires après le
compactage, ce qui explique la consistance plutôt sèche du BCR.
Cette approche considère le BCR comme un dritable béton dont les propri6tés mécaniques
proviennent, en partie, du rapport UL. Donc, la résistance du beton compléternent compacte est
inversement proportionnelle au rapport EL. Cette approche est basée nn le concept qu'il faut
suffuamment de pâte dans le BCR pour m p l û cornpDtement les vides granulaires du mélange, et
même un peu plus. Cependant, le BCR ne doit pas contenir plus de pâte qu'il en faut pour que le
beton s'affaisse ou qu'un excès de pâte remonte la surface après quelques passes du rouleau
vibrateur cornpacteur.
Tableau 2.2: Comparaison des principales caracteristiques des BCR selon les deux approches [tiré de Hansen et Reinhardt, LW 11.
Conception de base
Pourcentage de vides
Temps Vebe
Autres noms
Facteurs Sols Béton
Diminution du rapport E L
Gmuiats - Courbe grandométrique
Granulats - 9b de fies (< 0.08 mm)
Quantité de Liant
Résistance au cisaillement
Contrôle de Ia perméabilité
Ségrégation
Compactage
Action premiere des rouleaux vibrateurs
Malaxeur
Épaisseur des couches
Compactage Optimum Roctor
> 2%
>45s
Sols stabilisés, sol-ciment, BCR pauvre en Liant.
* important
> 10 96 de la masse tocale
c 120 kg/m3
< 1.4 MPa
Membrane en amont
Pro blematique
Rouleau vibrateur ou pneumatique
Compactage
Methode japonaise (RCD). BCR riche en Liant.
Tes important pour minimiser les vides granulaires
Moins de fies. spécialement si la teneur en cendres volantes est elevée
> 120 kg/m3
> 1.4 MPa
Le barrage même
Moins problematique
Rouleau vibrateur
Consolidation
a Pugmili B ou cuve
De 300 à 750 mm
2.3 Le BCR pour les barrages-poids
Le rôle premier des BCR utilisés lors de la construction des barrages-poids ou des ouvrages de
masse en géneral, est d'augmenter la vitesse de construction tout en diminuant les coûts au
maximum. C'est pour cette raison que. tout comme les betons de masse, les BCR contiennent une
quantité maximale de gros granulats et une quantité minunale de ciment pour développer les
propri6tés rndcaniques requises au moindre coût et minimiser le dégagement de chaleur.
Cependant, il existe quelques diff6rences qui caractérisent le BCR par rapport au b&on de masse
conventiomel:
l'affaissement nul;
les particules sont entourees par une plus faible quantité de pâte;
I' utilisation de particules fuies pour remplir les vides granulaires;
la mise en place et le compaccage du béton se fait par des tquipements de temassement,
c'est-à-dire comme dans le cas des barrages en enrochement
2.3.1 Les avantages du BCR
L'utiiisation du béton compacte au rouleau dans la constniction de bmages-poids représente une
alternative avantageuse comparativement au béton de masse conventionnel et au matériau de
remblai.
Le principal avantage du BCR par rapport au b6ton de masse se situe au niveau du faible coût de
consuuction qu'offre ce matkriau. Habituellement, des économies de l'ordre de 25 50% sont
réabées selon l'emplacement du site de construction et le volume total de béton nécessaire à la
consuuction du barrage [American Society of Civil Enginers, 19931. Ces économies provie~ent
principalement du temps de construction plus court et d'une technique de mise en place moins
coûteuse. Outres les coûts directs reliés A la construction du barrage, une mtthode de mise en
place plus rapide entraîne d'autres avantages comme la réduction des coûts adrninistracifs, la mise
en service plus rapide du projet et la possibilité de choisir un site ayant des pBriodes de
construction restreintes (comme par exemple le nord québecois). De plus, avec un temps de
consuuction plus court, il est possible de concevoir les batardeaux et les canaux de dérivation en
fonction d'un debit de pointe saisonnier plutôt qu'annuel. Ainsi, il est possible de diminuer
l'ampleur de ces ouvrages [CANMET, 19921. La figure 2.3 montre les coûts de construction de
quelques barrages réalisés jusqu'à maintenant Un autre avantage relie l'utilisation du BCR
comme matériau de construction concerne la fissuration thermique. En effet, puisque la teneur en
ciment d'un BCR est plus faible que celle d'un Wton de masse, les problèmes causés par
l'augmentation de la température l'intérieur de la masse sont lunités ainsi que les coûts reiiés au
transport du ciment.
Vis-à-vis de la solution en enrochement, le BCR est également avantageux. En particulier,
l'augmentation de la résistance au cisaillement du BCR par rapport au remblai, résulte en une
réduction signiticative de la section du barrage comme le montre la figure 2.4. Alors, pour une
méthode de mise en place similaire, la section du barrage est réduite. Ceci permet de construire le
barrage plus rapidement et de Mnéficier des avantages qui s'y rattachent. De plus, la centrale
hydroélectrique et l'évacuateur de c m peuvent être intégrés il la structure même du barrage.
10,000 IOO,OQO 1,000,000 1 O, WO,QOO
Quantity of Concrete (CU yd)
Figure 2.3: Comparaison des coûts de construction des barrages-poids en Mton [tiré de Amencan Society of Civil Engineers, 19941
Cette configuration offre plusieurs avantages techniques par rapport à la solution en remblai où 1
faut souvent prévoir des ouvrages séparés, ce qui entraîne gknéralement des coûts de construction
supplémentaires considérables. Enfin, un ouvrage en BCR est plus s6curitaire en ce qui concerne
l'trosion interne du barrage et les mouvements sismiques [U.S. Army Corp of Engineers, 19931.
En résumé, le BCR relie le meilleur atout du barrage en bCton (matériau) et celui de l'e~ochemen t
(vitesse de construction).
Eau
a) Béton
b) Enrochement
Figure 2.4: Sections ry piques de barrages- poids
2.4 Matériaux entrant duif la fabrication du BCR pour les barrags
En gknéral, les matériaux entrant dans la fabrication du BCR sont: le ciment portiand, les ajouts
cimentaires (en particulier, les cendres volantes), les granulats firu et grossiers, l'eau et les
adjuvants chimiques tels que les réducteurs d'eau, les retardateurs de prise et les agents
entraheurs d'air.
2.4.1 Les liane
Dans cette section, le teme N Liant » comprend la fois le ciment prtland et b ajouts
cimentaires. Tout d'abord, le type et la quantité de ciment dépendent la Fois du volume de la
structure, des propriéds m6caniques requises et de la disponibilité des marériaux cimentaires. Les
teneurs en Liants sont tr&s variables dant de 60 kg/m3 pour le barrage Uruguay-1 construit en
Argentine. jusqu'à 248 kg/m3 pour la construction du barrage Upper Sullwater aux Étaü-unis.
Au Japon, on utilise normalement 120 kg/rn3 de liants comprenant de 20 à 30% de pouzzolanes
mansen et Reinhardt, 199 11.
Le BCR peut être fabriqué avec n'importe lequel des types de ciment podand existanu sur le
marché. Par contre, pour des applications de masse (les barrages, par exemple), un ciment à faible
chaleur d'hydratation est essentiel afin de Limiter les contraintes thermiques dans le b8ton. Au
Québec, un ciment de type 20M ou l'équivalent est habituellement utilisé. De plus, le temps de
prise &nt plus long avec ce type de ciment comparativement A un type 10, la possibilité de créer
un joint froid entre deux couches successives est réduite.
Le choix de la proportion et du type d'ajout en remplacement de ciment dependent de sa
disponibilité, son coût de revient et de la résistance requise. k avantages reliés il l'utilisation
d'une pouzzolane sont nombreux. En effet, la réaction pouzzolanique consomme la chaux
hydratée de la pâte de ciment (source de faiblesse dans le Wton) et participe au gain de résistance
a long terme. De plus, cette réaction est lente. Ainsi, le degagernent de la chaleur d'hydratation
est mieux réparti dans le temps, ce qui contribue diminuer les contraintes thermiques dans la
structure. Si l'ajout cimentaire est disponible proximité du site de construction. celui-ci est
habituellement moins cher que le ciment portland. Enfim. l'ajout Naentaire, qu'il soit
pouaolanique ou non, joue le rôle de mer en remplissant les vides intergrand-. Cet effet
fïller diminue la porosité et la penneabfité du matériau tout en augmentant la compacité de la
matrice. En fait, les BCR riches en particules h e s peuvent être considérés comme de véritables
bétons pour lesquels la résistance et les autres propriétés proviennent du rapport En, mais, en
plus, du degré de cornpactage.
L'utilisation des ajouts cimentaires devient très intéressante dans le cas des ouvrages nécessitant
une résistance à la compression très faible d'environ 3 ou 4 MPa. Au Lieu de concevoir des BCR
avec des pâtes extrêmement fluides comportant beaucoup d'eau et peu de ciment, il est préférable
dans ce cas-ci, de remplacer une partie de l'eau et du ciment par un ajout cimentaire. De cette
manihe. on diminue grandement la pem6abilid et le retrait du béton.
Les pouzzolanes les plus employés dans les formulations de BCR sont les cendres volantes en
raison, entre autre, de la forme sphkrique de leurs particules qui améliorent la maniabilité du béton.
Par aiUeurs, d'autres ajouis comme les laitiers de haut fourneau et les pouzzolanes naturelies ont
été utilisés dans d'autres projets comme en font foi les barrages Arabie et Zaaihoek en Afrique du
Sud (70% de laitier) et celui de Tucurui au Brésil qui a fait appel à l'argile calcinée comme ajout
cimentaire. Jusqu'ii ce jour, la performance des argiles calcinées est similaire ii celle des cendres
volantes utilisées dans d'autres structures de BCR punstan, 19881. Enfin, le barrage des
Olivettes, en France, a été construit avec un mélange de 130 kglm3 de laitier et de cendres volantes
[Bouyge et coll., 19881.
2.4.2 Les aranula&
La granulomCtne et la qualité des granulats innuencent grandement les propriétés des BCR
puisqu'ils sont présents dans une forte proportion dans le mtlange. Étant donné qu'un des buts de
la formulation d'un BCR est de remplir les vides intergranulaires avec de la pâte, une b o ~ e
distribution granulom&rique est importante pour avoir un minimum de vides. Dès lors, on
diminue la quantité de pâte dans le rntlange et, par conséquenf le coût du barrage. Un granulat de
qualité est nécessaire si l'on dksire atteindre de b o ~ e s résistances en compression, c'est-&-dire de
l'ordre de 25 Mea. Mais dans le cas contraire, des granulais ne respectant pas les exigences des
bétons conventionnels peuvent être utilisés dans la mesure 05 les ccirères de conception sont
respectés [AC1 Committee Report, 19881.
Pour ce qui rst de la forme des granulats, il semble maintenant bien établi que les particules de
forme cubique et arrondie adLiorent la compacité du BCR, comparativement un granulat ayant
une forte proportion de particules plates et allongées. En diminuant le volume des vides
compactés, la quantité de pâte nécessaire pour remplir ces vides est egalement réduite. Par
conséquent on obtient un BCR plus économique, moins sensible au retrait, plus maniable ou
necessitant une moins grande quantité de matières cimentaires pour satisfaire les exigences de
performance (maniabilité, propriétés mécaniques, perméabilité, durabilité) [Gagnt et coll., 19951.
La quantité de gros granulats dans un BCR varie en fonction de la dimension du diamètre de celui-
ci (@-). En effet, le pourcentage volumétrique occupé par les gros granula& passe de 63% à
4 5 1 pour un diameue maximal de 150 mm et 10 mm respectivement [AC1 Cornmitte Report,
19931. Dans la plupart des ouvrages, la dimension du gros granulat est limitée ii 150 mm.
Cependant, afin de restreindre les risques de ségregation, la tendance actuelle est de lùniter le @-
il 75 mm et d'augmenter la proportion de sable à 30-3546 du volume total du mtlange Bansen et
Reinhardt, 199 1 1.
E d i , la quantité de particules fines (celles passant le tamis de 80 pm) permise, peut varier de
1'5% 10% selon la Limite de liquidité et l'inaice de plasticité du matériau. Normalement, on
tente de limiter le plus possible la quantité de matériaux argileux [AC1 Committee Report, 19881.
Cependant, ces proportions peuvent changer selon que l'on a utilisé des ajouts cimentains ou pas.
À ce moment là il est possible d'utiliser la partie fine du granulat pour jouer le rôle de fùer dans le
bdton.
2-4.3 Les adiuvants
Comparativement au béton conventionnel, peu d'adjuvanfs sont utilisés dans les BCR en raison de
leur consistance sèche. En fait, ce sont les réducteurs d'eau et les retardateurs de prise qui sont les
plus employés. De bons résultats ont et6 obtenus en introduisant ces adjuvants dans le melange
dans des dosages relativement élevés (entre 0.87 kg et 1,3 kgllûû kg de ciment)[Hansen et
Reinhardt, 199 11. Les avantages reliés à l'utilisation des adjuvants sont, entre autre, d'augmenter
la maniabilité du bCton ainsi que de retarder suffisamment la prise pour Cviter la formation de
joints froids entre deux couches de BCR, particuli5rement lors des périodes chaudes de l'M.
En ce qui concerne les agents entraîneurs d'air, il semble que le peu d'eau présent dans le melange
diminue énormément l'efficacite de cet adjuvant Selon Cannon [1993], il a éte possible
d'entraîner environ 4% d'air, dans un BCR ayant seM pour la construction d'un barrage dans
1'Ctat de New-York, aux États-unis. Pour ce faire, le béton doit avoir un temps Vebe maximal de
30 secondes (cette mesure a tté obtenue sans que la surcharge soit appliquée pendant l'essai). De
plus, le dosage de l'agent entraheur d'air doit être de 2 à 4 fois superieur à ce qu i est normalement
requis pour un béton conventionnel, selon la formulation du melange et l'efficacité de l'adjuvant
Par contre, il a noté des probBrnes de stabilité des bulles d'air. En effet, la perte d'air après les
opkrations de transport et de mise en place était de l'ordre de 2%. D'autre part, il arrive
couramment qu'il soit nécessaire d'augmenter le dosage en agent entraîneur d'air de 5 à 10 fois les
recommandations du fabriquant. Cependant, des Ctudes présentement en cours semblent
demontrer qu'il serait possible d'obtenir un bon réseau de bulles d'air en modifiit la séquence de
malaxage et en augmentant la proportion du granulat passant le tamis 5 mm & 50% Martin, i9961.
2.4.4 L'eau
La seule exigence concernant L'eau de gâchage est qu'elle soit libre de toute quantité excessive
d'alcalis, de matières organiques ou d'acides. La plupart des barrages construits en BCR ont
nécessité de 90 2 120 kg/m3 d'eau, et ce, pour un $- supérieur à 50 mm.
2.5 Les propriétés physico-mécaniques des BCR
Les propriétés physico-mécaniques du BCR dependent principalement de la qualité des matériaux
utibsés. de la formulation du mélange et du degr6 de compactage. Compte tenu de la variabilite
possible de ces paramètres, il n'existe pas de valeurs typiques des propriktés du BCR qui doivent
6tre comprises dans un fuseau. Cette section présente les principales particularitks connues à ce
jour concernant les propri6tés physico-mécaniques des BCR.
2.5.1 La résistance la compression
Dans les BCR , on note que la resistance 2 la compression augmente avec la diminution du rapport
WC, et ce. tant et aussi longtemps que le BCR est entièrement compact6 et qu'il a suffisamment
de pâte pour combler les vides granulaires. Cependant, lorsque la quantité d'eau devient très
faible, le BCR prend alors une consistance trhs sèche et la présence de vides dans le mélange a un
effet négatif plus grand sur la résistance que l'effet bénéfique de la réduction d'eau. Ce
phénomène est illustre à la figure 2.5.
En gt5néral. la résistance A la compression augmente avec le degr6 de compactage, la quantité de
cimen~ la présence de pouzzolanes et la qualité des granula&. Évidemment, comme dans le cas
des bdtons conventionnels, la résistance croit en fonction du temps de mûrissement
Présen tement, il est régulièrement possible d'atteindre des résistances en compression de 1' ordre
de 25 MPa après 91 jours d'hydratation.
La résistance au cisaillement critique se situe au niveau du joint entre deux couches successives.
La cohésion intercouche ddpend de 17adh6rence entre ces deux couches ainsi que de l'angle de
friction interne. Cette cohésion peut être amdliorée en diminuant le temps entre l'application des
deux couches, en augmentant la quantité de ciment ou en utilisant un mortier de Liaisonnement
Figure 2.5: Relation entre la teneur en eau et la résistance la compression d'un BCR [tire de Hansen et Reinhardt, 199 11
Dans bien des cas, ce n'est pas la résistance ii la compression en tant que telle qui est critique pour
la conception, mais bel et bien la résistance au cisaillement à l'interface de deux couches. Des
valeurs de l'ordre de 3 A 4 MPa ont g6néralernent bté mesurées sur des barrages en BCR
construits aux États-unis. Mais elles peuvent être aussi faibles que 0'5 MPa dans le cas des
mélanges maigres [Dunstan, 19881.
2.5.3 Le module d'élasticité
Un BCR fabriqud avec des granulats de bonne quaütk et une quantité reiativement éievée de
ciment et de pouzzolanes peut developper un module d'éiasticité similaire au Mton conventionnel
ou léghnent supérieur, en raison de l'important volume occupe par les granulats dans le BCR.
Cependant, dans les ouvrages de masse. un faible module d' tlastici té est habituellement recherché
pour réduire le potentiel de fisuration sous un cenain niveau de contrainte- Dans ce cas. il est
possible de formuler un BCR maigre, de faible résistance. avec un module aussi faible que 7 GPa.
Pour atteindre ces faibles valeurs, la partie fine du matériau granulaire doit remplacer l'ajout
cimentaire pour jouer le rôle de füer, la teneur en ciment doit être faible et le granulat s61ectio~6
doit présenter une capacité de d6formation blevée.
2.5.4 Le fluage et le retrait
Le fluage est d6f'ini comme Ctant la d6fomation d'un matériau sous une charge constante. il est
fonction de la courbe granuloméuique des granula& et de la quantité de pâte dans le mélange.
Dans les ouvrages de béton de masse, la capacité du matériau ii dissiper les contraintes thermiques
sans se fssurer est souhaitée. Pour ce faire, des BCR ayant un coefficient de fluage 6lev6 sont
réalisés en diminuant la quantité de ciment et la résistance tout en utilisant des Eüers inertes
comme particules fmes [AC1 Cornmittee Report, 19881.
Le retrait est relativement faible dans les BCR en raison de la faible quantité d'eau présente
initialement dans le mélange et des teneurs en ciment typiquement basses.
2.5.5 La masse volumique
La masse volumique depend principalement de la densité des gmulats ainsi que de la quantité de
vides dans le BCR. Puisque les BCR contiennent très peu d'eau initialement et peu de vides (1
2%), ceci se traduit concrètement par la présence d'une quantité de rnati&res solides sup6rieure
dans une unité de volume. Ainsi, la masse volumique des bétons compactés au rouleau est
Mgèrement supkneure à celie des bétons usuels. Des masses volumiques supérieures à 2400 kg/m3
sont couramment rencontrées dans les BCR.
La masse volumique depend egalement du rapport volumique pâtelmortier comme le montre la
figure 2.6. 11 semble que la masse volumique chute rapidement lorsque le rapport pâtdmortier est
plus faible que 0,40. L'explication la plus plausible A ce pht5nornène est que le pourcentage de
vides d'un granulat fin compacté se situe entre 32 et 40%. Lorsque le rapport pâtdmortier est
faible, il n'y a pas suffisamment de pâte pour remplir compPtement les vides granulaires. Donc, 1
est important d'ambliorer la granulométrie du granulat £in pour diminuer la &mande en pâte
punstan, 19871.
* 2 O -3 ~aste/mrtor ratio
Figure 2.6: Relation entre la masse volumique d'un BCR et le rapport volumique pâtdmortier [tiré de Dunstan, 19871
2.5.6 La perméabilité à l'eau
La permeabilitd 2 l'eau d'un béton dépend largement de la porosité de la pâte de ciment hydraté
(pores capillaires, air entrap pé...). GCneralement. la penneabilid d'un béton va de 10'15 à WL2 d s
pour des rapports eaukirnent allant de 0,30 à 0,70 respectivement [Association canadienne du
ciment portiand, 19911. En ce qui concerne les BCR, des permtabilites relativement faibles sont
obtenues lorsqu'il y a suffsarnment de ciment, de particules fines pour remplir les vides granulaûes
et un bon compactage du matériau. En géntral. la penneabilité des BCR maigres se situe entre 10"
et 10'> d s tandis que celle des BCR riches en pâte varie entre IO-'' et 10-" mls [Dunstan, 19881.
La figure 2.7 montre la relation entre la teneur en ciment et la permeabilité d'un BCR.
Figure 2.7: Relation entre la teneur en ciment et la permhbilité à l'eau d'un BCR [tiré de Dunstan, 19921
Les travaux de Banthia et coll. [1992], ont demontré qu'il existe un rapport U C pour lequel le
coefficient de perméabilité est minimum et ce, pour un rnClange d o ~ 6 (fig. 2.8). En effet. il
semble que dans le cas des BCR, un rapport WC plus devé aide au processus de compactage, ce
qui résulte en un béton plus imperméable. Ainsi l'effet positif d'un meilleur degr6 de compactage
entre en compktition avec l'effet negatlf d'une pâte de ciment plus poreuse. Donc, pour un BCR
donné, il existe un optimum de la teneur en eau pour lequel la perméabilité du béton est minimale.
O 27 0.29 0.31 0.33 0.35 Waler 1 cernent ralio
Figure 2.8: Effet du rapport U C sur le coefficient de penneabdité l'eau [tire de Banthia et COU., 19921.
On note cependant que la percolation dans les barrages se produit surtout travers les joints
horizontaux et les fisures de la structure et non il travers la masse de béton. Même l'application
d'un mortier de liaisonnernent a peu d'effet sur la perméabilité d'un barrage en BCR @hnstan,
19881. Cependant, il a Ct6 démonid que le coefficient de perméabilité diminue dramatiquement
avec le temps, en particulier durant les 20 premiers mois [AC1 Committee Report, 19881. Les
explications les plus plausibles sont: la continuité de l'hydratation du ciment, la réaction
pouuolanique des ajouts mineraux et le colmatage des pores par des impure&.
La durabilité des bétons compact& au rouleau face aux cycles de geldegel n'est pas très bien
connue. En fait, la faible quantité d'eau présente dans le mélange complique énonnhent
l'entraînement de l'air. Jusqu'à maintenant., une couche de béton conventionnel air enaaûié est
coulé ii la surface du BCR pour le protéger contre les effets néfastes du gel.
En modiriant La séquence de malaxage, on peut faciliter l'entraînement de l'air dans les BCR. En
effet, de bons lesultats ont Ctt5 obtenus lorsque la pâte ne comportant qu'une petite partie des
granulats est maiaxée en premier Lieu. Le reste des granulats est introduit un peu plus tard
[Guiraud, 1994 et Boisvert, 1993 dans Pigeon 19951. Par contre, cette façon de procéder est plus
onéreuse en raison de l'augmentation du temps de malaxage.
Cependant, même si l'entraînement de l'air est àifficile dans les BCR, on ne remarque pas, jusqu'il
présent, de problèmes strieux de durabilité au gel dans les ouvrages actuels. Ceci s'explique
principalement par I'imperméabilité du matériau et par la présence de vides de compactage qui
peuvent jouer le rôle des buiies d'air entraid. Par ailleurs, quelques ouvrages maigres, c'est-à-
dire des BCR contenant peu de ciment, se sont légi!rement détériorés. Donc, pour amtliorer la
durabilité face aux cycles de geldegel, il faut nécessairement augmenter la teneur en ciment du
béton.
Quant la durabilité à i'abmion ou il l'trosion, elle est proportionnelle la résistance à la
compression du BCR ainsi qu'A la qualité génkrale des granulats. Puisqu'il est plus difficile de
bien cornpacter le matériau prh des coffrages (perte de résistance), le risque de dégradation dû ii
1'6rosion est plus élev6 ii cet endroit Cependant, les essais en laboratoire et les observations en
chantier ne révdent aucun problème face ii ce genre de ddt6rioration.
2.6 Les essais au laboratoire
Puisque le BCR est un matériau relativement nouveau, il existe encore l'heure actueiie quelques
divergences concernant la procédure il suivre de certaines manipulations en laboratoire, comme
par exemple la confection des cylindres destinés il l'essai de résistance la compression. De plus.
l'affaissement nul de ce matériau rend compPtement inutile l'essai au cône d'Abram qui est
normalement effectuk lorsque L'on désire connaître la maniabilitl! d'un béton usuel. Ce chapitre
passera donc en revue, les principales différences en ce qui a trait la d6termination de la maniabilité
et la confection des cylindres des bétons compactés au rouleau.
2.6.1 La détermination de la maniabilité
L'ouvrabilité ou la maniabilité du BCR est la proprikté qui détermine sa capacité il être mis en
place et compact6 adéquatement sans ségrégation néfaste. Donc, ceci réunit les concepts de
compactage et de cohésion. Les parambtres qui influencent la maniabilité des BCR sont les mêmes
que ceux des bétons conventio~els, c'est-à-dire:
la granulométrie ;
la forme des particules ;
la proportion des granulats ;
la teneur en ciment ;
la présence des ajouts mintraux ;
la présence des adjuvants chimiques ;
la teneur en eau ; etc.
Mais, l'effet de chaque facteur ne sera pas nécessairement le même sur les deux bbtons. Comme P
a d6jh étt mentionn6, le BCR est un béton sans affaissement Alors, I'idée de faire l'essai
d'affaissement habituel L'aide du cône d'Abrams devient cornpl5tement inutile. C'est ainsi qu'on
a mis au point un essai adapt6 au BCR pour prédire la maniabilité des bétons raides extrêmement
raides: l'essai de compactage Vebe rnodifik (ASTM C 1 1'70-9 1).
Cet essai consiste à mettre le mélange dans un récipient cyhdnque de 0,01 m3, fbc6 sur une table
vibrante fréquence constante. Pendant l'essai, une surcharge de 22'7 kg est appliquée sur le
BCR. Le temps Vebe est le temps que prend la pâte à remonter 2 la surface lors de la vibration.
La figure 2.9 montre l'appareillage servant ii l'essai Vebe. Donc, le temps Vebe est d'autant plus
klevé que le mélange est sec et peu maniable. De plus, avec cet essai, il est possible de connaître la
masse volumique du béton en pesant la masse de BCR compacté. Le volume de ce dernier est
déterminé en mesurant la masse d'eau nécessaire pour remplir complètement le restant du récipient
cylindrique. Connaissant le volume to ta1 du récipient, il est alors possible de connaître celui du
BCR compacte et de calculer, par la suite, sa masse volumique.
Figure 2.9: Appareillage servant à l'essai Vebe
2.6.2 La confection des é~rouvettes
lusqu'2 présent, il n'existe pas une mkthode mondialement reconnue relative à la préparation des
éprouvettes de laboratoire en vue de determiner les poprittés du BCR. Le probl8me consiste
essentiellement il prtparer une eprouvette au laboratoire ayant le même degré de compactage que
le BCR au chantier où les camions, niveleuses et rouleaux vibrateurs compactent et consolident le
rndlange. La plupart des échantillons sont p r é p h dans un moule cylindrique de 152 x 304 mm
où l'on peut accommoder des gros granulats dont le diamètre maximal est de 50 mm. Pour les
diamétres de granulats plus grands. des moules faits sur mesure peuvent être utilisés. Pour faciliter
le démoulage, on utilise soit des cylindres en plastique que l'on indre dans un moule en acier ou
des cylindres fendus.
À ce jour. il existe trois principales méthodes pour la préparation des eprouvettes de BCR, soit le
compactage par impact, la vibration à la table vibrante, et Le damage. La première méthode est
principalement limitée pour les m6langes secs, c'est-&-dire ceux confectionnés selon l'approche
des sols. L'origine de cette mtthode date de 1960 lors de la consmiction d'un batardeau
Taiwan. Depuis, plusieurs modifications ont et6 proposées pour arnCliorer la cordlation entre les
résultats du chantier et ceux du laboratoire. Le marteau uhlisé et la chute de celui-ci sont les
mêmes que ceux employés pour l'essai de compactage Proctor modifié. Selon la dimension du
diameue du gros granulat, des modifications peuvent être apportées au moule. Le cornpactage
peut se faire en 3 couches de 100 mm ou en 6 couches de 50 mm. Cependant, le nombre de
couches n'est pas aussi important que le type de marteau et l'tnergie de compactage appliquée au
marériau dans le cylindre. En plus d'être limitée aux mélanges secs, cene methode possède les
inconvtnients de fragmenter les gros granula& du BCR et d'être relativement longue en terme de
manipulation. De plus, c'est un équipement qui n'est pas très facile il transporter au chantier.
La deuxième mtthode est limitée aux mélanges contenant plus de pâte que de vides d'air. Un
cylindre en acier de 152 mm de diamhe par 304 mm de hauteur, dans lequel on introduit le béton,
est solidement fixe sur une table vibrante similaire à celle utilisée lors de l'essai Vebe. Le cylindre
est rempli en 3 couches égales qui sont vibrées sous l'application d'une surcharge de 9,l kg. La
vibration est arrêtée lorsqu'un anneau de pâte se forme autour de la surcharge. Cependant la
corrélation entre le compactage au chantier et la vibration ne semble pas très bonne [Arnold et
COL, 19921. Cette méthode est également utilisée au Japon, cependant la dimension du cylindre
differe quelque peu (240 x 200 mm).
Enfin, la troisième méthode consiste à compacter le BCR par damage. Cette méthode consiste à
compacter le BCR dans un moule de 152 x 304 mm en trois couches égaies avec l'aide d'un
marteau de type r Kango » ou « Mti u. La figure 2.10 montre l'appareil de y p e « Kango ». Une
plaque ronde de 140 mm de diamètre est installée au bout du manche de l'appareil pour faciliter le
compactage. La héquence du darneur vibrateur v h e entre 2000 et 2400 impacts par minute
comparativement aux rouleaux vibrateurs qui ont une Mquence se siniant entre 1800 à 2400
vibrations par minute. Cette méthode a comme avantages d'être efficace pour compacter une
gamme vanée de BCR riches ou pauvres en han4 d'être très fade de manutention, de nécessiter
peu de temps pour la préparation des échanallons et surtout de bien corréler le compactage fait au
chantier et celui réalisé au laboratoire [Arnold et colL, 19921.
Figure 2.10: Appareil de type «Kango»
2.7 Les méthodes de formulation
L'objectif premier dans la formulation des melanges de BCR est de produire un béton qui satisfait
les critères de performance, et ce, de la façon la plus économique possible. Si le %CR choisi est
faiblement dos6 en l i a n ~ le critère de conception sera la résistance à la compression ou au
cisaillement De plus, une membrane est normalement installée L'amont pour imperméabiliser le
barrage. Par contre, si le BCR est riche en liant, la section entière est considérée comme
imperméable A I'eau. Par conséquent, la cohésion entre les couches de BCR et la pennéabilid du
béton contrôlent les crithes de conception. Enfin, les barrages qui sont exposés ii des conditions
climatiques skvères doivent être conçus pour rencontrer les critères de durabilité.
Le rapport 207.51 de 1'American Concrete Institute (ACI) sur les bétons compact& au rouleau
qui a étt? repris par Hansen et Reinhardt [1!391], mentionne l'existence de cinq méthodes pour la
formulation de BCR pour les barrages. Ces rntthodes sont: la méthode du BCR pauvR en Lian~
la mtthode simpiifïée, la methode du BCR riche en lians la methode japonaise (RCD method) et
celie de la corporation des ingenieurs de I'amée américaine. Les deux prernihs méthodes sont
inspirées de l'approche des sols tandis que les 3' et 4' méthodes le sont de l'approche béton.
Edm, en ce qui concerne celle de l'année américaine, elle peut être catt5gonsée selon les deux
approches.
Toutes ces méthodes de formulation ont, comme point de départ, les deux mêmes étapes: la
sklection des propriétés désirées du béton et la dbtermination des propri6t6s des matériaux à être
utilisés dans le mélange. De plus, elles nécessitent toutes des gâchées d'essai afin de v6rifier
l'ouvrabilité du BCR pour la mise en place.
2.7.1 La méthode du BCR ~auvre en liant (the lean RCC methodl
Le béton fomult5 avec cette methode contient géneralement moins de 120 kglm3 de Liant La
proportion des ajouts varie de O A 40% et les granulats utilises contiennent une forte proportion de
particules fines [Dunstan, 19881. Les barrages WiUow Creek et Gmdstone Canyon sont des
ouvrages typiques construits avec ce type de BCR.
D'abord, cette mtthode implique le choix d'une courbe granuiom&rique la plus économique
possible, dont le diamétre maximal du gros granulat est habituellement de l'ordre de 75 mm. La
quantite d'eau utiiisée est détermin& en observant la consistance du melange en variant la teneur
en eau et/ou par l'expérience acquise dans le passé. Une fois que la granulometrie et la teneur en
eau sont fmees. des cylindres sont préparés en variant la teneur en ciment (habituellement
comprise entre 60 et LOO kg/m3). Si des ajouts cimentaires sont utilisés, une autre série
d'éprouvettes doit être préparée. Ensuite, des essais de résistance à la compression sont effectués
après 3.7, 14, 28,90, 180 et 365 jours de mûrissement Cependant, si le temps ne permet pas de
cornpleter ce programme expdrimental, les résistances peuvent être préûites en se basant sur
l'allure de la courbe à jeune âge ou en effectuant une cure accBl6rée. Cette série d'essais fournit
une famille de courbes montrant 1-effet de la teneur en ciment sur la résistance à la compression à
différents âges. Dès lors, le mélange correspondant aux critères de conception peut être
sélectionné.
Les résultats obtenus avec cette méthode sont très variables. Par exemple, le coefficient de
variation de la résistance à la compression de six projets aux États-unis, qui ont fait appel A cette
méthode de formulation, variait de 22 ii 28%. Outre la variation des matériaux, la détermination
visuelle de la quantité d'eau et une méthode non-standardisée pour la confection des cylindres sont
les facteurs majeurs qui influencent ces résultats mansen et Reinhardt, 199 11.
2.7.2 La méthode simplifiée des sols (the simplifed soils method)
Cette mtthode ressemble beaucoup à la première en ce sens que la courbe grandométrique du
granulat est f ~ é e dès le départ. Elle implique egalement un programme expérimental pour
d6terminer la quantité de ciment Par contre, plutôt que de d&erminer visuellement la quantité
d'eau il introduire dans le BCR, la courbe de compactage optimum Proctor du matériau granulaire
est utilisée. Pour le reste, cette méthode est identique à celie du BCR pauvre en liant.
2.7.3 La méthode du BCR riche en liant (the hieh-paste method)
Avec cette méthode de formulation. deux exigences conflictuelles doivent être résolues: il faut
suffisamment de Liant pour diminuer au maximum la perméabilité du béton et assurer une b o ~ e
cohésion entre les couches. mais le changement de volume généré par la chaleur d'hydratation doit
être minimis& Par conséquent. cette méthode n&xssite l'utilisation des ajouts cimentaires qui
peut atteindre jusqu'a 75% en remplacement de ciment [Dunstan. 19883. Le barrage Upper
Stillwatwer. aux Étau-unis, a été construit avec ce type de K R . Les principales érapes menant à
Ia formulation du BCR sont les suivantes:
Détermination du rapport EL, du type et de la proportion de l'ajout minérai pour
rencontrer les exigences de resistance et/ou de durabilité.
Détermination, pour 1 m3 de pâte. de la quantité de ciment, d'ajouts minéraux et d'eau.
SClection du rapport pâtdmortier. Habituellement un rapport de 0'39 est utilisk.
Détermination du pourcentage de mortier afin que son volume excède celui des vides par 5
à 10 %.
Le pourcentage de gros granulats peut maintenant être calculé par la soustraction de la
proportion de mortier de 1 m3. Le pourcentage d'air entrappe est estirnt A 1.5%-
Dttemination du temps Vebe l'aide d'une gâchée d'essai. Si la maniabilité n'est pas
satisfaisante, la quantité d'eau doit être corrigée.
Cene mdthode est avantageuse par rapport aux deux premikres en ce sens que le BCR est
spécialement formulé pour avoir tr8s peu de vides et développer une bonne adherence entre les
couches sans nécessiter un traitement de surface. Le coefficient de perméabilité mesuré avec ce
type de BCR est semblable à celui des bétons de masse conventio~els. De plus, si les conditions
climatiques ne sont pas trop sCv&es, il n'est pas nécessaire de protéger le b6ton par une membrane
quelconque mansen et Reinhardt, 19911. Cependant, la maniabilité du BCR ne peut être prédite.
Alors, des essais suppl6mentaires sont nécessaires pour ajuster le rntlange et vérifier si les critères
de performance sont toujours satisfaits.
2.7.4 La methode ia~onaise (the RCD method)
Cette méthode se differencie des autres. notamment par la construction de barrages monolithiques
comme ceux réalisés en bCton conventionnel magataki et coll., 1985 dans Delagrave. 19921.
L'épaisseur des couches varie entre 700 et LOOO mm comparativement il 300 mm pour les autres
méthodes. De plus, la masse intérieure du BCR est protégée par une épaisseur de 2 B 3 mètres de
béton conventionnel. Les barrages Shimajigawa et Tamagawa ont kt6 construits avec cette
methode. Les deux critères de base qui regissent cette methode sont:
le contenu en ciment doit être le plus bas possible. Des cendres volantes sont utilisées pour
Limiter la chaleur d'hydratation et un adjuvant chimique pour diminuer la quantité d'eau de
gâchage;
le rapport (granulat fm)/(total des granulats) est plus dev6 que dans les bktons de masse
conventionnels pour diminuer la ségregation et faciliter le compactage par les rouleaux
vibrateurs.
Le choix de la quantité de matiens cimentaires est fait en fonction des critères de résistance.
Cependant, dans la majorité des projets réalisés avec cette méthode. la teneur en liant a 6te
comprise entre 120 et 130 k g h 3 comportant de 20 à 30% de cendres volantes. La quantité d'eau
est choisie ii l'aide de deux relations, soit celle de la résistance à la compression et celle du temps
Vebe en fonction de la teneur en eau. Normalement, un temps Vebe de 20 secondes est considért5
comme satisfaisant
Pour ce qui est de la granulométrie du gros granulat, des essais la table vibrante sont effectués
afin d'optimiser sa courbe grandornt5trique. Ensuite, quelques BCR sont confectiods en variant
le rapport (granulat fm)/(total des granulars) et en mesurant le temps Vebe. Le BCR ayant le
temps Vebe le plus faible est dlectiom6. Des essais de résistamie il la compression doivent être
refaits pour ajuster la quantité de Liant s ' il y a lieu.
Cette methode est principalement basée sur l'expdrience acquise dans le passe. La fomulation du
BCR se résume dans les Ctapes suivantes:
À partir d'un tableau, le rapport E L maximum est déterminé selon les critères de
performance exigés.
L'air occlus est estimée à 1% du volume total.
La quantité d'eau est maintenant déterminée selon le diamètre maximal du gros granulat
(L) et du temps Vebe. et ce, avec l'aide d'un tableau.
Les volumes respectifs de ciment et d'ajouts cimentaires peuvent maintenant être calculés.
Le pourcentage de gros granulat est determin6 il partir d'un tableau bas6 sur le et le
module de fmesse du granulat fin. À partir de cela, le volume occupé par les granulats fuis
est calculé.
Le rapport pâtdmortier est détermin6 pour s'assurer de remplir tous les vides granulaires.
Normalement, le rapport est supérieur A 0,42.
Le mtlange est ajusté pour obtenir la maniabilité désirée en faisant des gâchées d'essais.
Comme toutes les autres, cette mtthode comporte un inconvenient majeur. La formulation du
BCR se lait à partir d'un critere de résistance ou d'une granulom&rie donnée. Donc. il n'est pas
possible de prédire correctement la maniabilité du BCR, et par conséquent, plusieurs ajustements
sont nécessaires pour faciliter la mise en place du BCR au chantier.
2.8 La production du BCR
Dans la plupart des projets réalisés jusqu'ii maintenant, les mdthodes utüitées pour transporter.
étendre et compacter le BCR n'ont pas affecté la production autant que la vitesse et l'efficacite de
l'étape du malaxage. Pour optimiser la vitesse de construction, la capacité de production du BCR
doit être suptrieure ceiie de la mise en place. Par ailleurs, les malaxeurs à béton conventionnel
n'ont pas 6té nécessairement conçus pour malaxer des BCR qui ont une consistance beaucoup plus
sèche. Donc. pour obtenir un mélange homogène, les volumes de BCR malaxer sont moindres
et le temps de malaxage est rallonge. C'est principalement pour cette raison, qu'au hl des années,
des efforts ont Ctd accrus pour améliorer les taux de production du béton compacté au rouleau.
Le tableau 2.3 montre les temps de construction et les taux de production de BCR pour quelques
barrages construits aux États-unis.
Tableau 2.3 Temps de constmction et taux de production de quelques barrages en BCR [tiré de Hansen et Reinhardt, 199 1 ]
Barrage Volume de Temps de Production BCR cons tniction jounialière (m3) maximum (m3)
WiIlow Creek 331 000 < 5 mois 4460 Copperfreld 140 O00 < 4 mois 2600 Middle Fork * 42 100 45 jom 1530 Galesville * 160 000 10 semaines 5700 Grindstone Canyon* 87 500 55 jours 3670 Monksvi.De * 221 000 < 5 mois 5960 Upper S tillwater * 1 127 000 10 mois 8410 LowerUiaseCreek* 19900 23 jours - EIk Cfeek * 266 000 > 3 mois 9470 S t a g m * 34 000 37 jours 1730 * Ce volume n'mclut pas le béton conventionnel.
Selon les fabricants. on retrouve diffi5rents modeles d'usines à beton. La plupart sont fixes,
d'autres mobiles. Les usines fixes sont éigées près des grands centres et des sources impoltantes
de granulats. Eues sont g6nkraiement ii débit discontinu, c'est-à-dire qu'on fabique le béton en
quantitées ddtenninées, chacune correspondant B une gâchée. Les granulats, le ciment, les ajouts
cimentaires et l'eau sont dosés selon la masse et m&ngé-s entre e u . Comme on peut intervenir à
chaque gâch6e produite, il est alors facile de fournir au client le type et la quantité de Mton qu'il
désire.
Pour leur part, les usines mobiles peuvent être démontées, transportées puis remontées dans
presque tous les endroits accessibles. Ces usines, habituellement à &bit continu, ont une plus
grande capacité de production tout en ayant un même degré de contrôle de la qualité du BCR que
celles fonctionnant par gâchée [ AC1 Cornmittee Report, 19931. La figure 2.1 1 montre une usine
typique fonctionnant debit continu. Dans ce genre d'usine, les granulats, le cimen4 les ajouts et
L'eau sont dosés selon le volume et malaxés graduellement ensemble de façon continue. Ces
usines sont conçues pour produire un seul type de BCR à la fois, mais e k assurent une meilleure
unifonnité du rnat&iau. Donc, elles sont habituellement utilisées pour les travaux importants, loin
des grands centres, aux endroits où l'on doit produire un même type de BCR pendant de longues
p6riodes.
Selon le type d'usine, le malaxeur est soit de type pugrmll~ (gâchée ou continu) ou à cuve
(gâchée). Ce dernier est normalement utilisé pour le malaxage du béton conventionnel et nécessite
moins d'énergie pour le malaxage. Cependant, le malaxeur de type << pugmill est plus rapide,
plus efficace et plus facile il dtplacer. Ann de comparer la capacité de production de ces deux
types de malaxeurs, le temps de rétention de 4,5 m3 de BCR, lors de la construction du barrage de
Ek Creek avec un malaxeur de type « pugmill >D a tté de 38 S. tandis que le temps qu'a nécessité le
malaxeur Zi cuve lors de la construction du barrage de Wiilow Creek, a et6 de 75 s pour 6,8 m3 de
BCR [Hansen et Reinhardt, 199 11. Un malaxeur de type «pugrni& est montre la figure 2.12.
Figure 2.11 Usine de béton en continu'
Figure 2.12: Malaxeur de type « p u g d » [tire de Asphalt Institute, 197 11
3.0 BUT DE LA RECHERCHE ET PROGRAMME DES ESSAIS
3.1 Exposé de la pmblématique
Comme mentionné dans le chapitre 2, iî la sous-section 2.3.1, les avantages reliés au béton
compacté au rouleau sont nombreux et rependent bien aux exigences particulihs des chantiers de
construction d'ouvrages hydroélectriques du grand nord québécois. Cependant, pour pouvoir tirer
pleinement profit des nombreux avantages du BCR pour la construction d'ouvrages
hydroélectriques, certains aspects de la formulation e t de la production des BCR doivent être
optimisés davantage.
En effet, les avantages offerts par le BCR concernant la vitesse de construction sont parfois
atténués par l'incapacité des malaxeurs il Mon approvisionner adéquatement les équipemenu de
mise en place. En fait, les malaxeurs conventionnels à béton n'ont pas été spkcifiquement conçus
pour produire des BCR qui ont une consistance beaucoup plus séche. Pour produire un BCR de
borne qualité et diminuer l'usure des équipements de production, il faut souvent allonger le mnps
de malaxage et diminuer le volume des gâchées.
Par ailleurs, les BCR ont plusieurs points en commun avec les enrobés bitumineux. Les deux
matériaux ont une consistance et des proprittés rMologiques comparables. Dans les deux cas. on
doit porter une attention particulière à la distribution granulorn&rique du mklange granulaire. De
plus, les mCthodes de formulation du BCR et des enrobés bitumineux accordent toutes deux une
grande importance au taux de remplissage des vides granulaires (par le bitume ou par la pâte de
ciment).
La solution envisagée est d'utiliser un procédé de malaxage similaVe à celui des usines de
production de béton bitumineux en mode a continu D. Ces usines qui ont une grande capacité
horaire, produisent un matériau qui est plus uniforme dans le temps et elles sont spécifiquement
conçues pour effectuer un contrôle serré de la granulom&ie. Grâce 2i ce type d'usine, il serait
sans doute possible de remplacer i'alimentation en bitume par un système permettant d'ajouter un
coulis de cimenr Le dosage volumétrique et les paramètres de formulation du coulis pourraient
être ajustés e n fonction des propriétés souhaitees du BCR.
Pour ce qui est de la formulation du BCR, le choix de la méthode est uès important puisque celle-
ci doit fa& en sorte qu'il y aura un minimum de vides de compactage et que le matCriau aura la
consistance requise pour être mis en place rapidement et efficacement Les techniques de
formulation actueues reposent essentiellement sur des methodes approxirnaLives et des travaux de
laboratoires. Ces méthodes comportent toutes le même problihne: il faut gknkralernent corriger le
melange obtenu ii la fin du processus pour s'assurer d'obtenir la maniabilitt! désirée.
Une nouvelle approche plus systématique de formulation, en cours & développement à
L'Université de Sherbrooke, permettra de prédire beaucoup plus précisement la maniabilité d'un
BCR à partir de la notion du taux de remplissage des vides granulaires. Ce taux se definit comme
étant le rapport entre le volume de pâte et le volume des vides du m6lange granulaire calculé à
partir d'un essai de densitk maximale. Grâce cette approche, on peut, d h le début du processus
de formulation, choisir la quantité de pâte nécessaire pour obtenir la maniabilité ddssirée.
3.2 O bjectifk du projet
Avant d'envisager de produire des BCR dans des usines en continu par ajout de coulis de ciment,
on doit d'abord mieux comprendre l'innuence des paramètres de formulation des coulis sur les
proprietés des BCR et ensuite developper une methode de formulation adaptée ii cette technique
de production.
Les travaux consisteront principalement à h d i e r comment choisir le volume et le rapport
eauniant du coulis à ajouter au mélange en fonction de l'indice des vides du mélange granulaire. de
l'humidité des granulats et des propriétés souhaitees du BCR (maniabilité, résistance mécanique
etc.). D'une rnaniere systématique, on comparera les propri6tés du BCR obtenues par ajout de
coulis aux proprit5tés du BCR, de formulation identique, obtenues avec une proc6dure habituelie
de maiaxage.
Le projet de recherche permettra aussi de verifier si l'approche de formulation basée sur le taux de
remplissage des vides granulaires demeure valide pour prédire la maniabilité des BCR produits
avec la nouvelle technique de malaxage avec ajout de coulis. On Cvaluera tgalement dans quelle
mesure on doit inclure le volume occupk par L'air entraîn6 dans celui de la pgte qui est utilisé pour
le calcul du taux de remplissage des vides granulaires.
En dernier Lieu, on ttudiera la possibilid de developper un modèle mathématique simple pour
prédire la résistance à la compression du BCR (50 % ciment - 50% cendre volante) 28 et 9 1
jours, en fonction des principaux parameues de formulation (EL. taux de remplissage des vides
granulaires).
3.3 Méthodologie
La premEre phase des travaux consistera Cvaluer l'influence du mode d'introduction du ciment
et de l'eau dans le malaxeur sur la maniabdit& et les proprikrés mécaniques du BCR (résistance A la
compression et module d'élasticité). Elle permettra d'evaluer dans quelle mesure la production
d'un BCR par ajout d'un coulis dans le mélange granulaire modifie les propri&ks du BCR par
rapport il la procédure habituelle de malaxage.
Pour ce faire, des BCR de même formulation seront fabriqués selon les deux approches. La
séquence habituelle de malaxage comprend d'abord le malaxage des matériau granulaires (y
compris le ciment et les ajouts cimentaires) et, par la suite, l'ajout de l'eau et des adjuvants au
mélange. Pour ce qui est de la production par ajout de coulis, les granula& fins et grossiers sont
d'abord malaxés. Un coulis est fabrique pacaUiYement l'aide d'une h6lice tournant Zi 2500 rpm et
est ensuite versé dans le malaxeur avec les matériaux granulaires. Par la suite, des essais Vebe
(maniabilité) et de teneur en air sont effectués afin de connaître les principales caractéristiques du
BCR frais. Enfui, des cylùidres sont confectionnés pour réaliser des essais de résistance la
compression et de module d'éiasticité.
La seconde phase du projet permettra d'evaluer l'influence de la viscosité du coulis sur la
maniabilité du BCR. Cette partie des travaux consistera il mesurer le temps de cornpactage Vebe
de trois types de BCR contenant des volumes de coulis variables. Plusieurs essais comparatifs
seront effectués en variant la teneur en eau des granulats (secs, SSS, humides) et le rapport En du
coulis avant de les introduire dans le malaxeur.
La troisieme phase des travaux consistera A étudier l'efficacité de l'entdnement de l'air en
fonction du mode d'introduction de l'agent entraîneur d'air (ajoutt5 lors du malaxage du coulis ou
dilut5 dans l'eau de gâchage et ajouté directement dans le malaxeur ap& une pdriode de
prémalaxage). De plus, on vérifiera 9 un volume d'air dom6 est aussi eficace pour améliorer la
maniabilité du BCR qu'un volume de pâte.
La dernihre phase de ce projet sera consacrée la possibilité de fabriquer un BCR, avec la
methode par ajout de coulis, en incorporant de I'OPP (résidu minier de QIT Fer et Titane) sous
forme de galettes humides. Il sera alors possible de comparer les résultats de maniabilité et de
césistance avec ceux obtenus dans un projet antérieur réalise ii l'université de Sherbrooke (OPP à
M a t sec. malaxage habituel) wartin, 19961.
4.0 MATÉRIAUX. MÉLANGES. PROCÉDUEES DE MALAXAGE ET ESSAIS
4.1 Matériaux
4.1.1 Le ciment
Le ciment qui a été utilisé durant tout le programme expérimental est un ciment de type 2OM de la
cimenterie Latarge de St-Constant. L'analyse chimique est montrée au tableau 4.1. La
composition mindralogique de ce ciment a tté calculée à l'ai& des fornules de Bogue et est
présentée à la figure 4.2.
Tableau 4.1 : Analyse chimique du ciment de type 2OM
Tableau 4.2: Composition de Bogue du ciment de type 20M
Coustituants Proportion
(96)
Le gros granulat (> 5 mm) provient de la carriére « Les Sables LG de St-Hypolite, au nord de
Montréal. C'est une pierre granitique d'une densité à l'ttat supeficieilement sec (SSS) de 2,74.
Pour le projet, le gros granulat est le résultat d'un melange de pierres de calibre de 10, 14 et 20
mm. Les proportions sont indiquées dans le bas du tableau 4.3. Quant au granulat fm (< 5 mm). il
est composé d'un sable siliceux naturel de la région de Sherbrooke. Sa densité SSS est de 2,65 et
son coefficient d'absorptivité est de 1.2% (selon la nome CSA A23.2-94). Finalement, une
criblure provenant du concassage du gros granulat a été utilisée pour amtliorer la courbe du
combine total du granulat. Le tableau 4.3 présente la granulomCtrie de chacun des granuiats
utilisés. La figure 4.1 présente les courbes granulom&riques des cinq calibres de granuiats utdisés
pour le projet. Le combi.6 total du grandat, incluant le ciment et les cendres volantes.
accompagné du hiseau granulométrique recommandé par I'ACI concernant les BCR [AC1
Comrnitter Report] est illustré sur la figure 4.2.
Tableau 4.3: Distribution granulomCtrique des granulats h s et grossiers et du combiné utiLis6 (en % passant)
Diameue 20 14 10 Criblute Sable Ccxnbme* AC1
Proporti01i~ 14 % 14 % 18 96 18 96 28 96 - NIA NIA masiques
* le cornbme granuiomt!trique inclus Ie ciment et la cendre volante, en supposant un dosage approximatif de 180 k g h 3 , soit environ 8 96 du meiauge granulaire total.
O, 1 1 10
Dimension du tamis (mm)
Figure 4.1 : Courbes granulomécriques des 5 granulats utilisés
0,Ol 0,1 1 I O
Dimension du tamis (mm)
Figure 4.2: Courbes granulomttriques du combin6 utilise ainsi que du fuseau de l'AC1
41.3 Les cendres volantq
Les cendres volantes, qui ont Ct6 incorporées dans les mtlanges de BCR, sont de classe F. Sa
composition chimique est mon* au tableau 4.4. Pour des fins de comparaison, sa courbe
granulomttrique est représentée la figure 4.4 en compagnie de ceile du ciment de type 20M.
Tableau 4.4: Analyse chimique des cendres volantes de classe F
Oxydes Proportion
(%)
Si02 50.0
A203 29.4
Fez03 15.3
Cao 1.7
M@ O J
NazO équivaient 0.40
Perte au feu 2 2
10 1 O0
Dimension du tamis (pm)
Figure 4.3: Courbes granulomttriques du ciment de type 20M et des cendres volantes
4.1.4 Les adiuvan~
Ce projet de recherche a fait appel deux adjuvants: un réducteur d'eau et un agent entraineur
d'air. Le réducteur d'eau est une solution aqueuse de tignosuifonates modifiés contenant un
catalyseur qui favorise une meilleure hydratation du ciment Podand. Quant l'agent entraîneur
d'air. c'est une résine de Vinsol qui a eté utilisée.
4.2 Les mélanges
Le programme expkrimental, qui comprend au total 28 BCR répartis en 4 phases, est schématisé
sous forme d' organigrammes aux figures 4.5 A 4.8. La première phase regroupe 16 BCR qui ont
servi à comparer les deux mtthodes de malaxages (conventionnelle et ajout de coulis) en plus de
l'effet de la viscosité du coulis sur les propriétés du K R à I'ttat frais et durci. Lz rapport WL de
chaque BCR est de 0,62, dont et la proportion des cendres volantes est demeurée constante et
égale à 50% De plus, le volume de pâte a varié de manith à produire des BCR de maniabilité
differente. Pour diff6rencier chacun des BCR ainsi Fabriqués, nous avons utilise la nomenclature
suivante: les trois premiers chinres de chacun des m6langes représentent la quantité de pâte
(ciment + cendres volantes + eau) en Litres. Les trois prerniéres lettres représentent le type de
malaxage utilis6. Enfin, la dernihe lettre (H ou S) indique si le BCR a kté fait avec du sable
humide ou sec. Par exemple, le BCR 155RefS comporte 155L de pâte par mètre cube de béton, ii
est malaxé de façon conventio~eile et fabrique avec du sable relativement sec.
La phase II regroupe 5 BCR ayant des dosages en agent entraîneur d'air differents. Les trois
premihes lemes nous infornent sur le type de malaxage alors que le chiffre indique la quantité
d'air entraîne dans le béton. Les BCR avec un rapport eau/iiant variable se retrouvent dans la
phase ILI (2 BCR 0.70 et 2 autres 0,80). Finalement, les 3 BCR avec OPP sont regroupes dans
la phase IV. Les trois premiers chiffres de chaque BCR indiquent la quantité, en litres, de pâte
(ciment + OPP + eau). Les formulations détaillées de tous les mdlanges de BCR sont présenth
dans les tableaux 4.4 à 4.7.
Figure 4.4: Organigramme de la phase I
Légende:
Methode de malaxage: Teneur en air (%)
Ref: méthode conventionnelle Cou: méthode par coulis
Figure 4.5: Organigramme de la phase II
43
Légende:
Cou: rné thode par coulis
Figure 4.6: Organigramme de la phase Ln.
Volume de pâtc en Un3 Methode de malaxage: Ajout cimentaire: OPP de BCR Ref: méthode conventiomeiie
Cou: methode par coulis
Figure 4.7: Organigramme de la phase IV
Tableau 4.5: Formulation des mdlanges de BCR de la phase 1 (En = 0,62)
BCR 1SSRcS. 155CouS. 169RcrS. 169CouS. 182RefS. 182CouS. 196RtfS. 196CouS. 155RcfH. 155CouH. 169Rcfl.I. 169CouH. I82Rcfl-i. I82CwH 196RcfH. 196CouH
Eau (kg/m3) 97 107 113 126 Ciment (kk/m3 79 85 9 1 102
Cendres vol- &g/rn'j 79 85 9 1 102 Gros granula ( k g h 1
Picm 20 mm 325 325 320 325 Piem 14 mm 325 325 320 325 Picm 10 mm 434 434 426 434
Granulat fin (kg/m3) Sable 65 1 6!51 640 651
Cnblurt 434 434 426 434 Rd. d'eau (&m)) 440 477 5 LO 57 1
Tableau 4.6: Formulation des BCR de la phase II (EL = 0,62)
BCR Ref 6.0 Cou5.2 Ref4.6 ReD.8 Refl.5 €au (kg/m3) 96 96 97 97 98
Ciment (kg/m3) Cendres vol. @lm') Gros granula< (kglm3)
Pierre 20 mm Pierre 14 mm Pierre 10 mm
Granulat fi (kg/m3) Sable
Criblure Red. d'eau (mUm3)
Ag. ent. d'air (rnUm3) 308 310 23 1 157 79
Tableau 4.7: Formulation des melanges de BCR de la phase III
BCR 0,7Ref 0.7Cou 0,8Ref OJCou Eau 0rg1m3) 121 121 127 126
Ciment &glm3) 86 87 79 79 Cendres vol. (kg/m3) 86 87 79 79 Gros granuiat (kg/m3)
Pierre 20 mm 326 328 327 324 Pierre 14 mm 326 328 327 324 Pierre 10 mm 435 437 435 432
Granuiat fm (kg/m3) Sable 653 656 653 648
Criblure 435 437 435 432 Réd. d'eau (rnUm3) 474 486 444 440
Tableau 4.8: Formulation des melanges de BCR de la phase IV (UL = 0.62)
BCR 169CouOPP 182CouOPP 196CouOPP Eau (kg/m3) 112 122 132
Ciment &glm3) 90 98 107 OPP (kg/m3) 90 98 107
Gros glïmulat &g/m3) Pierre 20 mm 324 324 32 1 Pierre 14 mm 324 324 321 Pierre 10 mm 432 432 428
Granulat fm (kg/m3) Sable 648 648 642
Criblure 432 432 428 Red. d'eau (mum3) 504 549 598
Pour chacun des rnelanges, des essais de maniabilité (Vebe), de masse volumique et de teneur en
air sont effectués sur le BCR frais. De plus, 6 cylindres 150 x 300 mm sont fabriqués pour
mesurer la résistance A la compression Zi 28d et 9 1d. E n f i , en ce qui concerne les mklanges de la
phase 1, deux cylindres supplémentaires sont fabriqués pour mesurer le module d'élasticité. Les
procédures de ces essais sont résumés à la section 4.4.
4.3 Procédures de malaxage
Dans le programme expérimentai. deux procédures de malaxage ont eté exécutées: une mkthode
conventionnelle et une méthode par ajout de coulis. Le malaxeur utilise est un modhle 5 cuve
rotative inclinée, de marque Monarch. d'une capacité d'environ 220 kg. tel que montre Zi la figure
4.8.
4.3.1 La m6thode conventionnelle
Cette méthode, d'une durée totale de 5 minutes, a étk utilisée pour réaiiser les mélanges Refl 2
Ref8, AE1, AE3 A AE5, Refü,7 et Refû.8. La procédure est la suivante:
1. Introduire le sable, le rendre homogène en malaxant pendant 30 secondes, faire une
teneur en eau et apporter les corrections nécessaires sur les quantités d'eau et de sable.
Figure 4.8: Malaxeur utilisé pour tous les mélanges de BCR
Introduire la pierre 20 mm et ensuite celle de 14 mm et poursuivre le malaxage pendant
une minute.
Introduire la pierre 10 mm suivi de la criblure et poursuivre le malaxage pendant une
minute.
Diluer le réducteur d'eau dans 1' eau de gâchage. Introduire, dans 1' ordre, le ciment, les
cendres volantes et l'eau en malaxant pendant 3 minutes. Si désiré, ajouter l'agent
entraîneur d'air dilué au préalable dans une quantité égale d'eau.
4.3.2 La méthode par ajout de coulk
Cette mkthode a Cgalement une du& totaie de malaxage de 5 minutes. Elle a et6 u W pour
réaiiser les mtlanges Cou1 à Cou8, AE2, CouO.7, Cou0.8 et OPP 1 il OPP3. La procddure est la
suivante:
Introduire le sable, le rendre homogène en malaxant pendant 30 secondes, faire une
teneur en eau et apporter les corrections nécessaires sur les quantités d'eau et de sable.
Introduire la pierre 20 mm et la pierre 14 mm, poursuivre le malaxage pendant une
minute. Parallelement, préparer un coulis en malaxant l'eau. le réducteur d'eau, le ciment
et les cendres volantes de 2 à 3 minutes. Si désiré, ajouter l'agent enuaûiew d'air dans le
coulis*
Introduire la pierre 10 mm et la criblure dans le malaxeur et poursuiwe le malaxage
pendant une autre minute.
Ajouter le coulis dans le mblange granulaire en malaxant pendant 3 minutes.
4.4 Procédures des essais
4.4.1 L'essaide rnaniabilitéVebe
Tel que mentiom6 A la sous-section 2.6.1, la mesure de l'affaissement ou de la maniabilité du BCR
ne peut pas se faire de la même manière que pour un béton conventionnel. C'est plutôt un
appareil Vebe, schkmatisb à la figure 4.9, qui est utüisé. L'essai consiste ii introduire 13.4 I 0,7
kg de BCR dans un contenant cylindrique qui est, par la suite. tixk sur une table vibrante. Ensuite,
une surcharge de 22,7 I 0,s kg (50 lb) est déposée & la surface du BCR, puis le tout est vibré.
L'essai consiste à mesurer le temps requis pour qu'un anneau de pâte se forme autour de la plaque
de plexiglas lors de la vibration. C'est ce qu'on appelle le temps Vebe. Donc. plus le BCR est sec
et moins il est maniable (carence en pâte), plus le temps Vebe est Cleve. La nome qui régit cet
essai est la norme ASTM C 1 170-9 1.
4.4.2 La mesure de la teneur en air
La mesure de la teneur en air sur le BCR frais se fait de la même manière que pour les autres types
de btton. Cependant, la mise en place du matériau dans L'aéromètre est diff6rente. On dépose
d'abord le récipient de l'aéromètre sur le vibrateur utilise lors de l'essai Vebe. La mise en place se
fait & l'aide d'une surcharge de 12 kg, similaire à ceiie qui est utilisée pour l'essai Vebe. mais
adaptée aux dimensions de l'aéromètre. Le remplissage du récipient doit se faire en deux couches
d'égale Cpaisseur et chacune d'entre elles doit être vibrée jusqu'il ce qu'un anneau de pâte se
forme autour de la plaque de plexiglas de la surcharge.
Masse Plaque de ;xiglass
Contenant
Table Vibrante
Figure 4.9: Représentation schematique de l'essai Vebe
49
4.4.3 La mesure de la masse volumique
La mesure de la masse volumique se fait de deux façons. La première manière, et cenainement la
plus simple, se fait exactement de la même façon que pour un béton conventionnel. C'est-&-dire
qu'après avoir plad le BCR dans l 'drornhe pour mesurer sa teneur en air, on mesure la masse
du récipient compl&tement rempli de BCR. Connaissant la masse et le volume de l'droml!~e, la
masse volumique peut être facilement calculée.
La deuxieme façon est réalisee ii partir de l'essai Vebe. En effet, il la fm de l'essai. la surcharge est
enlevée et le BCR est de nouveau vibré pendant deux minutes. Pour connaître le volume w u p C
par le BCR dans le récipient, on le remplit avec de l'eau. Di3 lors, en notant la masse d'eau
nécessaire pour remplir le récipient, il est facile de connaître le volume du BCR, et par conséquent,
sa masse volumique.
4.4.4 La confection et l 'entre~osa~e des é o r o u v e ~
La fabrication des cylindres de BCR se fait A l'aide d'un << h g o ». C'est un appareil servant
compacter le BCR comme on peut le voir il la figure 4.10. Le « Kango * est muni d'une plaque
d'acier d'une superficie légèrement iriftirieure à celle du moule cylindrique, en plastique, ayant 150
mm de diamètre et 300 mm de hauteur. La mise en place du BCR se fait en trois couches dans les
moules préalablement huilés. Une gaine extérieure en acier est nécessaire pour assurer la stabilité
du moule et pour empêcher qu'il ne se &forme lors du compactage du béton. Chaque couche de
BCR est compactée jusqu'à ce qu'un excès de pâte remonte à la surface. Aprh le compactage de
la demiere couche, le surplus de BCR est arase et la surface est t5galisée à la truelle de bois. Pour
dviter d'abimer les Cprouvettes, le d6rnodage ne se fait qu'après 3, 4 ou 5 jours selon le type de
mélange. Les Cprouvettes sont ensuite conservées dans l'eau, saturée en chaux, jusqu'il la date de
l'essai, soit 28 ou 9 1 jours.
Figure 4.10: Appareil de type Kango »
4.4.5 La détermination du volume des vides compact& dans les mandats (Vvcl
Cet essai se déroule conformément à celui servant à déterminer les masses volumiques minimales
et maximales des sols pulvérulents de la norme BNQ 2501-062. On se sert de cet essai pour
déterminer le volume des vides après compactage. Ainsi, i l est possible d'améliorer la compacité
du combiné des matériaux granulaires qui sera utilisé dans le BCR.
La représentation schématique de l'appareillage de l'essai est montrée à la figure 4.11. Cet essai
consiste à remplir Iâchement, avec un matériau granulaire, un mode cylindrique d'une capacité de
2830 cm3, qui est ensuite installé sur une table vibrante. Par la suite, le matériau granulaire est
vibré pendant 8 minutes sous une surcharge d'environ 26 kg. À la fi de la vibration, on mesure le
volume du madnau granulaire compacté à l'aide d'un comparateur mécanique. Connaissant la
masse et la densité du granulat dans le moule. le volume occupé par les grains peut facilement être
calculé. Le volume des vides compact& est le résultat de la soustraction du volume des grains à
celui du materiau granulaire, une fois compacté. En fait, le calcul se fait comme ceci:
Vc = [Vrn - (A*h)]
Vc: volume compacté du granulat
Vvc: volume des vides compact& du granulat
Vm: volume du moule
A: aire du moule
h: différence de hauteur entre le granulat 2 l'etat lâche et le granulat une fois compacté
Mg: masse du granulat
dg: densite du granulat
3 pinces e s p a c i c s resenc
plateau
r a b l e
v ibrateur
poignie 1 /1 tige d ' a c i e r
mrnchoa guide
plateau de surcharge
guides exttricurs
inc d e f ixarioa r Lt plateau
vers ta b o t t e de coocrdte ec 11 source Cleccrique
1 1 plancher
Figure 4.1 1: Représentation schématique de l'appareillage servant mesurer le volume des vides compactés dans les granulats [tir6 de BNQ 2501-062]
5.0 PRÉSENTATION DES RÉSLJLTATS
5.1 Relation entre le t au de rempüssage des vides granulaires (VpNvc) et la maniabilité
Le tableau S. 1 présente les résultats obtenus des essais de maniabilitd Vebe effectués sur les BCR
sans air entraîné, c'est-à-dire ceux des phases 1, m. et IV. Le terme Vp détermine le volume de
pâte d'un mélange donné. U est calculé comme ceci:
où: Vp = Volume de pâte
Vc = Volume de ciment
Vac = Volume de l'ajout cimentaire (cendres volantes ou OPP. selon le cas)
Ve = Volume d'eau
Le terme Vvc provient directement de l'essai de la détermination du volume des vides compactés
dans les granulats (Vvc) decrit à la sous-section 4.4.5. Puisque la granulornCtrie des granulats tins
et grossiers a Cté la même pendant tout le programme expérimentai, la valeur du Vvc est constante
dans tous les cas.
La figure 5.1 montre la relation entre le taux de remplissage des vides granulaires et le temps Ve be
pour les BCR de la phase 1, et ce, pour les deux mtthodes de malaxage hdiées. On observe, sur
ce graphique. que le temps Vebe est essentiellement fonction du rapport VpNvc. C'est-à-dire que
plus le taux de remplissage des vides granulaires augmente, plus le temps Vebe diminue. Le
remplissage des vides granulaires, par l'introduction d'une quantité de pâte de ciment, permet
d'écarter les grains et de fluieer en quelque sorte le BCR. Par consequent, le melange est plus
facile à compacter. De plus, on remarque qu'une seule relation est valide queue que soit la
méthode de malaxage utilisée. Donc, du point de vue de la maniabilid, les deux mdthodes de
malaxage sont équivalentes.
Tableau 5.1 : Maniabilité et taux de remplissage des vides granulaires des BCR sans air entraZn6 (phase 1. III. IV).
BCE2 VP Vvc VpNvc Vebe 3 3 (%) ( S)
Par ailleurs, pour un même VpNvc, les résultats semblent un peu plus dispersés dans le cas de la
mtthode par ajout de coulis. En effet, avec cette méthode, le BCR obtenu avec le sable humide
possede systématiquement une maniabilité plus faible que celui obtenu avec le sable sec. Ce
comportement semble s'intensifier au hir et mesure que Le rapport VpNvc diminue. Cependant,
pour les temps Vebe les plus utilisés (10 s < temps Vebe c 20 s) pour construire des barrages-
poids, les diffdrences sont très faibles et ont peu de conséquences pratiques. Pour ces temps
Vebe, le rapport V p N v c est compris entre 0.95 et 1,OO. Edm, on remarque que le temps Vebe
augmente très rapidement lorsque le rapport VpNvc devient Merieur il 0,90.
Figure 5.1 : Relation entre le taux de remplissage des vides granulaires et le temps Ve be pour les BCR de la phase I.
Figure 5.2: Relation entre le taux de remplissage des vides granulaires et le temps Vebe des BCR des phases 1, m. IV.
La figure 5.2 présente la relation entre le tau de remplissage des vides granulaires et le temps
Vebe des BCR des phases 1, III, IV. On observe que la relation décrite précédemment A la figure
5.1 demeure toujours valable quels que soient le rapport En du BCR et les matériaux cimentaires
employés (ciment, cendres volantes, OPP). Donc. la maniabilité du BCR depend uniquement du
rapport VpNvc et non pas du rapport En ou du type de matériau cimentaire utilis6.
On remarque que le BCR avec OPP, marqué d'un astérisque (*), s'écarte quelque peu de la
courbe. Cet écart peut être imputé ii la teneur en eau de 1'OPP qui variait selon l'endroit où il se
situait dans la chaudiére. Donc, la quantité d'eau provenant de l'OPP a probablement et6
surestimée. Par constquent, la quantité totale d'eau dans ce BCR était plus faible que prévue
initialement, ce qui peut expliquer le temps Vebe plutôt tlevk de ce BCR.
5.2 Compacité des BCR en fonction du temps Vebe et du rapport VpNvc
Le tableau 5.2 présente le temps Vebe. les masses volumiques mesurées à partir de l'essai Vebe et
de l'aérométre, la teneur en air et les vides de compactage. Ce qu'on appelle «vides de
compactage » dans le tableau, n'est ni plus ni moins la quantité d'air calculée par la mCthode des
volumes absolus. Cette mtthode implique la co~aissance de la masse de chacune des quantités de
materiaux introduits dans le mklange, la densité de chacun d'entre eux et la masse volumique du
BCR (mesurée avec l'dromètre ou l'appareil Vebe). Dès lors, il est possible de comaftre le
volume occupe par chacun des tltments. Les vides de compactage. en m3, sont calculés comme
ceci:
Vol. vides = 1 - [Vol. (matière. cimentaires) + Vol. (granulau) + Vol. (eau)]
où: Vol. vides = Vides de compactage (m3)
Tableau 5.2: Masse volumique et compacité des BCR
BCR VpNvc Temps Masse vol. Masse vol. Air * Vides de (%) vebe Vebe âérometre
3 3 (W awrpactage*'
( s) (96)
196CouOPP 105.1 2463 2487 1.1
* Mes& avec I'aémx&tre ** Calculés avec les volumes absolus
La figure 5.3 présente la relation entre la masse volumique mesurée avec I'drornétre et celle
mesurée avec l'appareil Vebe.
236û 2380 2400 2420 2440 246û 2480 2500
Masse volumique Vebe (km))
Figure 5.3: Relation de la masse volumique mesurée avec l'aérombtre en fonction de la masse volumique mesurée suite à l'essai Vebe.
Sur cette figure, on observe que, globalement, I'&rom&re donne une masse volumique Iegerernent
plus élevée que la méthode Vebe (environ 1%). Puisque. pour un matériau d o ~ é , il existe une
limite supérieure de compactage que l'on ne peut dépasser, ces résultats tendent à prouver que les
valeurs obtenues avec I'drom&re semblent plus représentatives de la réalité que celles mesurées
avec l'appareil Vebe. En d'autres mots, la masse volumique obtenue avec l'essai Vebe sous-
estime probablement la veritable valeur atteinte lors du compactage du BCR. De plus, la
procedure de l'aérométre est plus simple et mieux adaptée au chantier que celle du Vebe.
Dorénavant, l'analyse des résultats en fonction de la masse volumique ou les calculs impliquant
celle-ci seront effectués avec les résultats obtenus par l'aéromèire.
5.2.1 Compacité du BCR en fonction du temp Vek
La figure 5.4 montre la relation entre les vides de compactage et le temps Vebe. On remarque sur
cette figure que les plus grandes compacités, c'est-à-dire les BCR avec de faibles pourcentages de
vides de compactage, sont obtenues avec les temps Vebe les plus faibles (< 20 s). Il faut se
souvenir que les vides de compactage sont calculés partir de la mtthode des volumes absolus. et
ce. en utilisant la masse volumique mesurée avec l'aéromètre. Ainsi. on peut confumer ce que
l'on savait déjA: les BCR qui ont une bonne maniabilité se cornpactent mieux pour une energie de
compactage donnée. Par constquent, les vides de compactage et la perm6abilité diminuent et les
propriCds mécaniques sont arntliorées. Par ailleurs. lorsque le temps Vebe est élev6 (> 40 s), on
peut remarquer qu'on ne parvient jamais ii diminer les vides même avec une grande Cnergie de
compactage-
Temps Vebe (s)
Figure 5.4: Relation entre les vides de compactage et le temps Vebe des BCR de la phase I (sans air entraîné).
5.2.2 Masse volumiaue du BCR en fonction du rap~ort VpNvç
La figure 5.5 présente la relation entre la masse volumique et le taux de remplissage des vides
granulaires (VpNvc). Avec ces deux paramètres. on obtient une courbe de s type Proctor * comportant un optimum de compacité qui correspond 2 un rapport VpNvc compris entre 0.95 et
'P
5 O 3 u E 1 - B 3 03 z
Figure 5.5: Relation entre la masse volumique du BCR et le taux de remplissage des vides granulaires.
1.0. D'une part, pour des rapports inférieurs à 0.95, il y a un déficit en pâte. ce qui conuibue à
créer des vides residuels d'autant plus nombreux que la quantité de pâte par rapport au volume des
vides est petite. Donc, plus il existe de vides non-remplis par de la pâte, plus la masse volumique
du BCR est faible. D'autre part, pour des rapports VpNvc supérieurs à 1,00, on remarque
dgalement une dimunition de la masse volumique. En effet, lorsqu'une teile valeur est atteinte, la
pâte remplace les granulats. Comme, en gknéral, la densite de la pâte est inf6rieure à celle des
granulats. il s'ensuit alors automatiquement une diminution de la masse volumique du BCR.
Par ailleurs, on constate que pour un même rapport VpNvc, la masse volumique obtenue avec
l'akromètre est assez variable. soit de l'ordre de + 20 kg/m3. En plus de l'erreur de l'essai, cette
variabilité est imputable en majeure partie il l'tnergie de compactage appliquée lors de la vibration
du BCR avec la surcharge sur la table vibrante et aussi au fait que le volume compacte est faible.
d'oh un grand facteur multiplicateur pour der iî des kglm3.
5.3 Influence de l'air entrahé sur la maniabilité du BCR
Le pourcentage d'air entraînk et le temps Vebe des BCR sont présentés dans le tableau 5.2. Dans
un premier temps, on veut d'abord veifier si, dans les BCR à air entraînt, la relation entre le
rappon V p N v c et le temps Vebe des figures 5.1 et 5.2 est toujours valable.
Dans un premier temps, on a calcul6 le rappon VpNvc des BCR air entrâînk en ajoutant dans le
calcul du volume de pâte, tout le volume de l'air entraIn6 mesuré avec l'dromètre. Donc:
Vp = Veau + Vciment + Vcendres volantes + Vair entraîne
Par exemple, pour le calcul du volume de pâte du mélange Ref6,O. on a pour 1 m3 de BCR
(tableau 4.6):
Veau = 95,6 kg I 1,O = 95,6 L
Vciment = 77,l kg 1 3.14 = 24.6 L
Vcendres volantes = 77,l kg 1 2.46 = 3 1,3 L
Vair entraîné = 6,0% = 60 L
On peut voir, la figure 5.6, que les points correspondant aux BCR avec a i . entraîne ne suivent
pas la même relation que ceux des BCR sans air entraîne. Donc, pour un même rapport VpNvc,
la maniabilité des BCR avec air entraîne est nettement plus faible. De plus, on est a même de
constater que le décalage est constant entre la courbe correspondant au BCR avec air entrain6 et
celle des BCR sans air entraînd.
Cela confirme que, dans le cas des BCR avec air enuaîn6. on tend surestimer le volume de pâte
efficace pour le remphsage des vides granulaires. À partir de la figure 5.6, on peut montrer que le
decallage vers La droite correspond ii un écart constant de l'ordre de 25 um3.
A avec AE
Figure 5.6: Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires avant la comc tion sur l'air entraîné.
On propose donc, dans le cas des BCR avec air entraîne, une mtthode particuli8re du calcul de
Vp. Cette mdthode consiste A retrancher sysdrnatiquement 2'6% du volume d'air mesuré avec
l'drombtre avant de l'inclure dans le calcul de Vp. Par exemple. pour le mélange Ref6,O &rit
la page précédente:
Vp = Veau + Vcirnent + Vcendres volantes + Vair - 26 L
Vp = 95.6 + 24.6 + 3 1,3 +60 - 26
Vp = 185,s L
Avec cette méthode, on remarque la figure 5.7 que les BCR, avec ou sans air entraîne. suivent
alors la même relation generale du temps Vebe en fonction de VpNvc .
r Coulis
Figure5.7: RelationentreletempsVebeetletauxderemplissagedesvidesgranulairesaprèsla correction sur l'air entraîné.
Donc. cette relation entre le temps Vebe et le rapport VpNvc est extrêmement utiie pour prédire
la maniabilité d'un BCR ayant un rapport En de 0'62, avec ou sans air entrah6 et fabnquk de
façon conventionnelle ou par la méthode par ajout de coulis.
Par exemple. si on désire obtenir un BCR contenant 4% d'air et ayant un temps Vebe de 15
secondes, on doit d'abord lire. sur la courbe de la figure 5.7, le rapport VpNvc requis. Dans cet
exemple, on trouve qu'un rapport de 0,97 est nécessaire pour obtenir un temps Vebe de 15
secondes. Suite à l'essai de la d6termination du volume des vides compact& de notre granulat, le
volume de pâte du BCR peut facilement être caicul6. Enfin, en connaissant le rapport EL du
BCR ainsi que la proportion d'ajout cimentaire, les quantités d'eau, de ciment et d'ajout min6rawt
sont calculées en considtrant que le volume d'air efficace est égal L4L (40L - 26L). C'est-à-dire
que :
Vp=Vc+Ve+Vac+Vae
Vp = Vc + Ve + Vac + (ML - 26L)
V p = V c + V e + V a c + 14L
où: Vp = volume de pâte
Vc = volume de ciment
Ve = volume d'eau
Vac = volume d'ajout cimentaire
Vae = volume d'air entraîné
5.4 Relation entre le pourcentage d'air (aéromètre) et le pourcentage de vides de compactage
Les mesures de teneur en air et les calculs de vides de compactage de tous les mélanges sont
présentés dans le tableau 5.2, tandis que la figure 5.8 montre la relation entre les vides de
compactage calculés avec la methode des volumes absolus et le pourcentage d'air mesuré avec
l'aéromètre. Dans le cas des BCR sans agent entraîneur d'air, le pourcentage de vides de
compactage peut varier sans provoquer de variations significatives sur le pourcentage d'air mesuré
sur l'aérom&re. Ceci dit, l'aéromètre est incapable de tenir compte du volume des vides de
compactage ou du volume des vides d'air entrappés. Dès lors, il est inutile de mesurer
systématiquement le pourcentage d'air des BCR sans air entrault5.
Comme le montre la figure 5.8, dans les BCR air entrain& l'aéromètre est beaucoup plus sensible
au volume d'air entraîné. Les volumes d'air mesurés avec l'aéromètre et les volumes des vides de
compactage correspondent assez bien. On remarque cependant, que plus le volume d'air entrahé
diminue, plus la diffi5rence entre Le volume des vides et le pourcentage d'air (aéromètre) devient
importante. La capacité de I'aérornèüe A mesurer le volume de tous les vides semble diminuer à
mesure que la quantite d'air enuaûid diminue.
Teneur en air mesurée avec I'a6rom4rtre (%)
Figure 5.8: Relation entre les vides de compactage et la teneur en air mesurée sur I'aéromèue
5.5 Propriétés mécaniques des BCR
Le tableau 5.3 présente les résultats de résistance A la compression et certains résultats de module
élastique obtenus. On y retrouve tgalement les temps Vebe ainsi que les rapports VpNvc
associés à ces m6langes.
Tableau 5.3: Propriétés mécaniques des BCR
B C R Vp/Vvc Temps Vebe Résistance à la Module (QI (SI compression d' élasticité
28 d 91 d 91 d (Mm (MPa) (GPa)
5.5.1 Relation entre la résistance A la com~ression et le taux de remplissaee des vides e r a n m
La figure 5.9 présente la relation entre la résistance A la compression et le du taux de remplissage
des vides granulaires des BCR de la phase 1.
Figure 5.9: Relation entre la résistance A la compression et le taux de remplissage des vides granulaires.
On remarque que. peu importe L'âge de murissement du BCR, la résistance 2 la compression
atteint un optimum lorsque le rapport VpNvc se situe entre 0.95 et 1,OO. comme dans le cas de la
relation de la masse volumique en fonction du taux de remplissage des vides granulaires présentée
à la figure 5.5.
Lorsque ce rapport est inférieur à 0.95, il n'y a pas assez de pâte pour remplir tous les vides
granulaires. Par conskquent. le compactage es t plus ciSicile, la présence de vides de compactage
augmente et la résistance il la compression diminue. Dans cene gamme de rapport, c'est le degr6
de compactage qui contrôle la résistance. Lorsque Le rapport VpNvc est supérieur à 1,OO. le
volume de pâte est plus grand que celui qui est nécessaire pour remplu les vides grandaires. Dans
ce cas, il y a diminution de la compacité du BCR et on note une 16g&re diminution de la résistance
il la compression. Dans cette gamme de rapport, c'est plutôt le rapport En qui contrôle la
résistance.
Il est important de souligner que ces résultats démontrent li nouveau l'importance de la prise en
compte du rapport VpNvc lors de la formulation d'un BCR. Ce rapport contrôle non seulement
la maniabilité du BCR. mais aussi les caractéristiques mécaniques. En effet, pour un même rapport
EIL. un rapport VpNvc de 0.85 peut entraîner une perte de résistance ii la compression de plus de
25% à. 9 1 jours.
5.5.2 Relation entre la résistance la com~ression et le rapport EL
La figure 5.10 montre la relation entre la résistance à la compression et le rapport En de quelques
BCR avec cendres volantes. Il est important de remarquer que seuls les BCR ayant un taux de
remplissage optimal ont &té retenus. Les autres BCR. dont le rapport VpNvc n'&ait pas optimal.
ont été volontairement 6liminés a h de faire ressortir uniquement l'effet du rapport En sur la
résistance et C h e r l'effet du taux de remplissage des vides granulaires.
Figure 5-10: Relation entre la résistance à la compression a le rapport EL (VpNvc = O,97+O,O 1)
On observe, comme prévu, que la résistance à la compression diminue au hr eet A mesure que le
rapport En augmente. Globalement, pour les BCR contenant des cendres volantes, la résistance à
91 jours est deux fois plus élevée que ceiie à 28 jours. Également, la résistance la compression
double lorsque le rapport E L passe de 0,80 il 0.62.
Pour un même rapport En, on constate qu'il y a une certaine variabilité des résistances à la
compression. Ceci est probablement dû a des variations de i'tnergie de compactage lors de la
fabrication des cylindres au laboratoire.
5.5.3 Relation entre le module d'6lasticité et la résistance à la com~ression
La relation entre la résistance à la compression et le module d'klasticité est présentée à la figure
5.1 1.
1 1 1 15 1 1 I I 1 I I
12 15 18 21 24 27
RBsistance B la compression (MPa)
Figure 5.1 1: Relation entre la résistance ii la compression et le module d'élasticité
serve sur cette figure que, comme dans le cas des bétons ordinaires, le module d'blasticité
augmente il peu près l.in&irernent avec la résistance la compression. De plus, la relation
4500*(f c)% [Association ~ m a d i e ~ e du ciment portland, 19951, utilisée pour estimer le module
des bétons ordinaires, sousestime celui des BCR en raison de la plus grande quantité de granulats
dans ces bétons. En fait, le rapport volumique pâtelgranulat est d'environ 40% plus faible dans les
BCR que dans les bétons ordinaires. Rappelons kgalement que les granulats influencent plus le
module dT&sticité du BCR que celui des bétons ordinaires (comme dans le cas des BHP).
Pour un même niveau de résistance, le module d'élasticit6 varie peu, probablement en raison des
difft5rence.s au niveau de l'tnergie de compactage des cylindres. En effet, artaines Cprouvettes
provenant des BCR ayant un temps Vebe plutôt &levé (> 30 s) possedent un plus grand nombre de
vides de compactage (figure 5.4). Ces vides de compactage n'affectent probablement pas la
résistance ii la compression de la même manière que le module d'tlasticid.
5.5.4 Relation entre la résistance à la com~ression et le ~ourcentaee d'air mualné
La figure 5.12 présente la relation de la résistance à la compression en fonction du pourcentage
d'air entraîne. Les droites plus epaisses représentent la régression imeain: des résultats
experimentaux, tandis que les deux droits fmes montrent la relation empirique de la résistance à la
compression d'un béton normal en fonction de la teneur en air [Lessard et coL (1993)j.
% air entraîne
Figure 5.12: Relation entre la résistance à la compression et le pourcentage d'air entraîné des BCR ayant un temps Vebe supérieur à 40 secondes.
On remarque, à premi8re vue, qu'il n'existe pas réellement de relation entre la résistance la
compression des BCR ayant initialement un temps Vebe supérieur ii 40 secondes et la quantité
d'air entraîne. En effet, dans les bétons ordinaires, la relation empirique indique que l'ajout de 1 %
d'air entraîne fait chuter la résistance la compression de 4% et coli. (1993)l.
Cependant, dans le cas de ces BCR, i'enrrauiement de I'air ameliore considkrablement la
maniabilité. Donc, la baisse potentielle de résistance qui devrait normalement s w e ~ est
probablement compensée par les gains de maniabilité et de compacite obtenus suite 2
l'entraînement de l'air dans le BCR. Il ne faut pas oublier que la résistance à la compression du
BCR ne provient pas uniquement du rapport EL, mais Cgdement du degré de compactage du
matériau. Cependant, lorsque le temps Vebe du BCR est optimal, la résistance la compression
diminue suite l'ajout de l'agent entraîneur d'air [Manin, 19961.
5.6 Influence de I'OPP sur les propriétés du BCR
5.6.1 Effet sur la maniabilité
La relation entre le taux de rempksage des vides granulaires et le temps Vebe est montrée il la
figure 5.13. C'est la mCthode par ajout de coulis qui a été utilisée pour fabriquer ces BCR. Les
cendres volantes étaient sèches lors de leur utisation tandis que I'OPP a kt6 utilise sous fome de
galettes ayant une teneur en eau qui a varie de 12 à 224% environ.
Figure 5.13: Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires.
On remarque que. pour un même rappon Vpffvc, la maniabilité d'un BCR avec OPP est
équivalente il celle d'un BCR avec cendres volantes. Ces dsultats laissent présager que 1'OPP est
aussi efficace que les cendres volantes en tant que matériau de remplissage des vides granulaires.
ce qui est confome aux r&es;Y~ü de Martin [ 19961.
Par ailleurs, ces résultats confient aussi que la mCthode par ajout de coulis permet de bien
disperser lTOPP. utilisk sous forme de galettes, avec une hélice. L'écart plus important obtenu
dans le cas du rapport VpNvc de 0,89 peut être explique par la de connaiae
précisement la teneur en eau de 1'OPP en galettes entraînant ainsi des imprécisions dans le calcul
du volume de pâte (Vp). Enfin, le nombre d'essais a éte limité par la quantité d'OPP disponible
sous forme de galettes.
5.6.2 Effet sur la résistance
La figure 5.14 compare la résistance à la compression des BCR avec cendres volantes avec ceux
comprenant de I'OPP.
28 jours 91 jours
Age de mQrissement
Figure 5.14: Comparaison de la résistance à la compression des BCR avec cendres volantes et ceux avec de 1'OPP.
Cet histogramme permet d'observer la faible ou la non réactivité de I'OPP par rapport aux cendres
volantes. Aprh 28 jours de mûrissement, il y a peu de différence, car les cendres volantes n'ont
pas réagit cornpl&temenr Cependant, après 91 jours, si on compare les Aistances des BCR
fabriqués avec les deux types d'ajouts. on remarque que la pouzzolanicité des cendres volantes de
classe F commence ii faire effet. Ces résultats sont conformes avec ceux de Martin [1996].
6.0 DISCUSSION DES RÉSULTATS
6. L Faisabilité de la technique de production d'un BCR par ajout d'un coulis de ciment
6.1.1 Proprietes du BCR fabri ué par aiout de coulis de ciment
Les résultats des essais de rnaniabilite effectués sur le BCR frais ont premikrement montré que,
malgré une formulation de mélange identique, le temps Vebe peut différer It5g8rement Ces
diff6rences sont notamment observées lorsque le sable, qui est utilise dans le BCR, est A l'état sec
ou très humide. Néanmoins, les écarts sont faibles et d'un point de vue pratique. cela ne pose pas
de problèmes. Deuxi8memenf pour obtenir une consistance donnée du BCR. on peut facilement
choisir le rappon En du coulis en fonction de l'humidité des granulats et des propriétés
recherchées du BCR. Troisitmement, les proprieds mdcaniques du BCR fabrique avec la
méthode par coulis sont similaires à celles d'un BCR fabriqué avec la méthode conventionnelle de
malaxage.
En résumé, il la suite de ces essais, on peut affirmer que le fait d'ajouter un coulis de ciment dans
un mélange granulaire n'affecte pas signifcaiivement les propribes du BCR frais ou durci par
rapport B celles du BCR fabriqué avec la méthode de malaxage conventionnelie.
6.1.2 Techniaue de ~roduction du BCR fabriaué oar aiout de coulis de ciment dans une usine à débit continu
6.1.2.1 Principe de fonctionnement d'me usine de béton bitumineux à débit continu
Une représentation schématique d'une usine de béton bitumineux de type tambour sécheur-
enrobeur USE) à débit continu est montre à la figure 6.1. Son principe de fonctionnement est
relativement simple. Tout d'abord, les granulaü sont entreposés dans les trémies froides (A). La
premiere ttape, le dosage A fioid, consiste à combiner divers calibres de granulats dans les
proportions &ablies lors de la formulation de l'enrobt5. Le dosage des granulats se fait en réglant
le débit d'écoulement de chaque calibre de pierres de manière ii obtenir pour chacun la masse
désirée (figure 6.2). Ensuite. les granulats sont introduib dans le TSE (E). À ce moment, les
granulars sont chauffés pour réduire leur humidité et augmenter leur température pour faciliter le
compactage au chantier. Le bitume, préalablement chauffé ii une temperature sp8cifiée dans le
réservoir, est injecté dans la deuxieme panie du TSE afin d'être malaxe avec les granulats. Min,
l'enrobé bitumineux est entrepose temporairement dans un silo (N) en attendant d'être achemine
au chantier,
A- Trkmics [roides E- Tambur séchcur 1- T r h i a chaudes M- AIuncntaiinn cn filler B- Élivaicur à galets F- Rbcrvou dc bimme J- Doseur vo~um&rique (gran) N- Malrwur cn continu C- DCpoussidrcur i cyclones G- &vacur à godcu K- Bande ovrsportcuse (gran) D- Chcminéc H- Unit4 & criblage L Pompe h bitume
Figure 6.1: Schéma d'une centrale de type TSE ii debit continu [tiré de Lelièvre, 19941
Figure 6.2: Dosage volumttrique par réglage de la hauteur de la porte [tiré de Asphalt Institute, 19711
6.1.2.2 Avantages d'une usine de béton bitumiheu à débit continu pour la production d'un BCR
Une representation schématique, de ce qui pourrait représenter une usine debit continu pour la
production de BCR, est montrée à la figure 6.3. Les seuls changements par rapport A la procMure
de fabrication du béton bitumineux consistent à remplacer l'ahentation en b i m e par celui du
coulis et de supprimer l'étape du chauffage des granulats dans le tambour secheur-enrobeur.
Les avantages reliés à ce type d'usine sont nombreux. Tout d'abord, les modifications apporter
pour rendre la centrale opérationnelle sont minimes et peu coûteux. En fait, on remplace
simplement l'alimentation en bitume par une alimentation en coulis de ciment De plus, ces usines
sont généralement mobiles. La production à proximité immédiate du site de construction est dors
facilitée. Finalement, en plus d'un taux de production élevé (150 2 200 rn3/heure), l'unifonnid du
mélange est meilleure dans le temps.
Vue Ca plan
r Réservoir P
coulis \
- 4 ----am---* Alimntation Pompe i des bennes cmlk I '-
parchargcu~ - granula~ I
\&
I - t . -h&our I *heur
t Rtxrvoir tampon
__C I malPxeur de BCR t I
Vue en élévation
Figure 6.3: Représentation schématique d'une usine A BCR en continu
76
6.2 Relation générale entre la maniabilité du BCR et le taux de remplissage des vides granulaires
La figure 6.4 présente la relation entre le temps Vebe du BCR et le taux de remplissage des vides
granulaires. Afin de v&ifier la validite de cette relation, on a ajouté. aux résultats de cette étude.
ceux obtenus par Otsama [1996] et Martin [1996]. Avant de parler de dispersion, il est important
de souligner que ces mesures (temps Vebe et volume des vides compact&) ont et6 obtenus par
trois opérateurs diff&ents, avec des rapports VL variables compris entre 0.6 et 0.8. avec
differents types de rnatkriaux fins (ciment, cendres volantes, OPP) et avec plusieurs courbes
granulome triques diHiken tes.
Figure 6.4: Relation entre le temps Vebe et le taux de remplissage des vides granulaires de plusieurs BCR.
Quoiqu'en g é n h l les résultats suivent la même tendance, la variabilité des mesures est plus
importane pour les temps Vebe Clevés. En effet, pour des BCR ayant un temps Vebe superieur 3
40 secondes. on remarque que les points de la figure 6.4 sont plus dispersés. À cet Ctat de
consistance. la quantité de pate est nettement plus faible que le volume des vides du matériau
granulaire et, par conséquent, l'anneau de pâte ne se forme pas automatiquement d'un seul coup
autour de la plaque de plexiglas de la surcharge. Donc, cela laisse plus de subjectivité pour
l'opérateur.
Dans la plage usuelle des temps Vebe (10-20 s), la dispersion est nettement plus faible. Les
résultats indiquent très clairement qu'un taux de remplissage des vides granulaires compris enve
0.95 et 1.00 a toujours pennis de produire un BCR dont le temps Vebe est compris entre 10 et 20
secondes, et ce. quels que soient les matériaux firu ou la methode de malaxage utiliîés.
L'approche de formulation basée sur le taux de remplissage des vides granulaires s'avère donc un
atout très utile et très précis pour prédire la maniabilité d'un BCR pour barrage.
6.3 Développement d'un modèle mathématique simple pour la prédiction de la résistance à la compression d'un BCR pour barrage.
Dans le chapitre 5. on a montré que la résistance à la compression des BCR de cette étude etait
essentiellement fonction du rapport E/L et du taux de remplissage des vides granulaires.
À partir des résultats de la figure 5.10, on peut obtenir la fonction mathematique donnant la
résistance B la compression à 28 et 9 1 jours dans le cas paxticulier des BCR fabriqués avec 50% de
cendres volantes et possédant un rappon VpNvc tout près de 1'00. À l'aide de calculs simples,
basés sur les résultats de la figure 5.10, on obtient les deux fonctions qui donnent les résistances à
la compression à 28d et 9 Id:
avec: Rc = Résistance il la compression En = Rapport En
Les résultats de la figure 5.9 montrent aussi que la résistance ii 28 et 9 1 jours. pour un rapport WL
constant, est aussi fonction du rapport VpNvc. Pour un mSme En, les résistances les plus
&levées sont obtenues avec un rapport VpNvc qui se situe entre 0.95 et 1,O. alors que les
rapports plus faibles ou plus 61evé.s produisent une diminution de la résistance. À partir de ces
résultats. on peut donc déterminer un facteur de correction de résistance à la compression pour
tenir compte du rapport VpNvc. Ces facteurs de correction sont:
avec C: facteur de correction compris entre 0,s et 1.0 VpNvc: taux de remplissage des vides granulaires compris entre 0,8 et 1,l
En combinant les équations 6- 1 et 6-2 avec les Cquations 6-3 et 6-4 respectivement, on peut alors
obtenir une fonction mathkmatique qui permet de prédire les résistances à la compression à 28d et
9 1d en fonction des rapports En et VpNvc. Ceci nous permet d'écrire que:
d'où f c~~~ = 1-io,7 ( V ~ N V C ) ~ + 20,8 (VPNVC) - 9.21 x 12.0 (IYL)- ' .~~ (6-7) f cg1d = [- 13.6 (V~NVC)' + 26,6 (VpNvc) - 12,1] x [6,5 ( ~ n ) - ~ ~ ] (6-8)
Le tableau 6.1 permet de comparer les valeurs de résistances ii la compression mesurées avec
ceiles obtenues avec le modèle math6matique. En examinant les karts entre la résistance à la
compression mesurée et celle calculée, on constate que le modèle mathematique est relativement
bon. Compte tenu que la connaissance ntceuaire de la précision de la résistance à la compression
lors de la conception du banage est plutôt de l'ordre de 1,O MPa, ce modèle math6matique semble
tout fait adéquat pour prédire la résistance d'un BCR comprenant 50% de cendres volanies.
La figure 6.5 présente la surface de réponse de la résistance à la compression 91 jours en
fonction du rapport EL et du taux de remplissage des vides granulaires. L'analyse de cene figure.
montre l'influence prépond6rante du rapport E/L sur la résistance 2 la compression du BCR. Pour
un rapport V p N v c donné, la résistance à la compression augmente rapidement lorsque le rapport
WL diminue. De plus, la figure 6.5 fait clairement ressortir l'idluence du rappon V p N v c sur la
résistance la compression. En effel pour un rappon WL donne, la résistance à 91 jours est
systématiquement maximale lorsque le rappon VpNvc est compris entre 0.95 et 1,W. En dehors
de cette plage, les résistances chutent significativement, notamment lorsque le rapport VpNvc est
inférieur à 0,90.
Ces résultats démontrent aussi l'importance de bien chois* le rappon VpNvc ; en particulier dans
le cas des BCR possédant une résistance à la compression relativement 6levée (En = 0'60; f c >
20 MPa). Dans ce cas, on constate que les résistances sont particulièrement sensibles au taux de
remplissage des vides granulaires. En effet, les proprittés mécaniques chutent alors rapidement
pour des rapports se situant A l'extérieur de la plage comprise entre 0'95 et 1,OO.
Tableau 6.1 : Résistances à la compression mesurées et calculées avec le modèle rnathémahque
BCR VpNvc E/L Résistance à la compression à 28j Résistance à la compression a 91j m a ) W a )
mesur& caiculée écart mesurée calculée écart I53Xef.S 0,830 0,62 8 J 9, 1 04 15,4 1S,4 0,o
Fiope 6.5: Surface de réponse de la résistance à la compression à 91j en fonction du rapport ER. et du taux de remplissage des vides granulaires.
6.4 Commentaires à propos de l'influence de l'air entrahé sur la maniabilité du BCR
À la section 5.3, nos résultats ont démontrk que l'air entraian& améliore la maniabilité. De plus, 2 la
sous-section 5.5.4, on a aussi d6mond que cette amélioration de maniabdit6 due ii l'entraînement
de l'air facilite le cornpactage du BCR, ce qui compense presque complii~ment les pertes de
résistance la compression que provoque habituellement l'air enuaîne dans les bétons ordinaires.
L'analyse des temps Vebe en fonction du rapport VpNvc suggère qu'une certaine proportion du
volume d'air, contenu dans les BCR à air entra%& ne participe pas directement l'am6lioration de
la maniabilid (section 5.3). En effet, pour obtenir une relation unique entre la maniabilité (temps
Vebe) et le rapport VpNvc des BCR avec et sans air entraîné. il faut systématiquement soustraire
26 ~ r n ' au volume d'air total avant de l'inclure dans le calcul du volume de pâte (Vp).
On peut poser comme première hypothèse que les bulles d'air contribuent à améliorer la
rnaniabilit6 du BCR en jouant le rôle de matériau de remplissage des vides granulaires au même
titre que l'eau, le ciment, les cendres volantes et 1'OPP (Figure 6.6). Cependant, tel que le suggère
la figure 6.6, on peut penser que ce sont surtout les plus petites bdes d'air qui ont le plus grand
effet sur la maniabilité. De par leur petit diamètre, elles peuvent se loger entre les granulats et
jouer alors un rôle de remplissage, comme dans le cas de la pâte de ciment
Les vides de compactage et les builes d'air entrappées ont un trop grand ciiam&tre pour pouvoir
occuper l'espace entre les particules de granulats. Il est donc probable que leur effet sur la
maniabilité soit plutôt négligeable puisque ces builes d'air contribuent plus à l'hrkrnent des
particules qu'au remplissage proprement dit des vides granulaires. C'est, notre avis, la raison
pour laquelie on doit soustraire environ 26 L h 3 lors du calcul du volume de pâte effectif (Vp)
pour le remplissage des vides granulaires des BCR à air entraîné. Dans ce cas, ce volume de 26
urn3 correspond probablement au volume des vides de compactage et des plus grosses builes d'air
entrappées.
Air entrappé, vides de compactage ou grosses bulles d'air entraîné. Peu efficace pour remplir les vides granulaires.
Petites bulles d'air pour le remplissage
Granulat
Pâte de ciment
entraxAn6. Très efficace des vides granulaires.
Figure 6.6: Représentation schématique de l'ùinuence de la dimension des vides d'air sur la maniabilité du BCR*
7.0 CONCLUSION
L'objectif premier de cette enide Coit de vérifier la possibilité de fabriquer un béton compact6 au
rouleau en injectant un coulis de ciment dans un matériau granulaire.
Les résultats expérimentaux ont clairement demontré que le temps Vebe est surtout fonction du
taux de remplissage des vides granulaires (VpNvc). Donc. le type de malaxage (conventionnel ou
coulis), la courbe granulomCtrique des granulats ou le type de matériau cimentaire u W ont peu
d'influence sur la maniabdite du BCR. Cene relation devient alors extrêmement utile pour prédire
la maniabilité d'un BCR donné. Dans le cas des BCR avec air entraîné. on doit systématiquement
retrancher 2'6% du volume d'air entraîné, mesuré avec l'aérométre, avant de l'inclure dans le
calcul du volume de pâte (Vp).
Par ailleurs. la masse volumique et les propriétés mt5caniques sont oprimales lorsque le rapport
V p N v c du BCR est compris entre 0.95 et l,OO, et ce. quelle que soit la mtthode de malaxage
choisie. Il est important de tenir compte de ce rapport lors de la formulation d'un BCR car il ne
contrôle non seulement la maniabilité mais également les caractéristiques mécaniques.
En plus d'être plus simples à exécuter, les mesures de la masse volumique obtenues avec
l'aéromèue sont ltgèrement supCrieures et semblent mieux représenter la réalité que celles
mesurées avec l'appareil Vebe.
il a été possible d'entraîner de l'air (4 A 6%) avec des dosages en adjuvant l6gèrement supérieurs à
ce qui est normalement recommandé pour les betons conventionnels (1,5 à 2 fois le dosage).
L'aérornètre est relativement sensible pour mesurer la teneur en air des BCR A air entraîné.
Cependant, la capacité de l'aérométre mesurer le volume de tous les vides semble diminuer A
mesure que la quantité d'air entra216 diminue.
Pour les BCR dont le temps Vebe est initialement élevé (supérieur ii 40 secondes), l'air entraîne
n'a pratiquement pas d'effet sur la résistance ii la compression lorsque la teneur en air varie de 1 à
6%. Le gain de maniabilité compense probablement la baisse potentielle de résistance qui devrait
normalement survenir,
À première vue. il ne semble pas vraiment y avoir de probl2mes ii produire des BCR avec ajout de
coulis. Quelle que soit la methode de malaxage choisie, la maniabilid et les propri6tes mécaniques
du BCR sont equivalentes. De plus, cette mtthode de malaxage pourrait facilement être utihée
avec des usines de béton bitumineux fonctionnant à débit continu avec un minimum de
modifications.
Pour réellement conclure sur L'efficacie de la technique de fabrication par ajout de coulis, il serait
imponant de l'expérimenter sur chantier avec une usine mobile de béton bitumineux debit
continu. À ce moment, il serait plus facile de v6rifer l'influence de l'humidité du sable sur les
caractéristiques du BCR. De plus, des techniques de fabrication de coulis pourront être
exp&imenrérs afm d'augmenter le taux de production du BCR.
Également. il serait très intéressant de v6rifer la variabilité des vides granulaires dans une
production de granulats sur un chantier. Il y a génhlernent variation de la forme des particules et
des granuloméuies lors du concassage.
Enfin. il serait important de poursuivre des enides plus approndies sur l'influence de l'air entraîné
sur la maniabilité des bétons cornpactés au rouleau. En e f fe~ il serait très intéressant d'étudier
l'effet de la distribution de la dimension des bulles d'air sur la maniabilité Vebe et le rapport
VpNvc.
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