Chapitre 3 : Les granulats I- Introduction On appelle granulats les roches concassées, broyées ou les fragments des roches roulés dans le lit des fleuves. Dans le premier cas on parle du gravier ou de sable concassé et dans le deuxième cas on parle de sable alluvionnaire. Donc, les granulats un ensemble de grains minéraux, de dimensions inférieures à 125 mm, de provenance naturelle ou artificielle. Ils sont utilisés en mélange avec le ciment pour former une pâte appelée mortier ou béton. Ils sont utilisés avec d’autres liants tels que le l e bitume pour réaliser des d es roulements des chaussées. Les granulats sont les constituants de base de tous travaux de génie civil. Leur intérêt peut venir de deux considérations:
-
De point de vue économique, ils permettent de diminuer la quantité de liant, ils présentent quelque 80% de la masse du béton et environ 75% de son volume.
-
De point de vue technique, ils augmentent la stabilité dimensionnelle (retrait, fluage), ils sont plus résistants que la pâte de ciment toute seule.
Il est donc important de maîtriser l'ensemble l' ensemble des propriétés des granulats, du point de vue de leurs élaborations, que de leurs utilisations, afin de mieux maîtriser le coût tout en respectant des critères de qualité. Par conséquent, il faut augmenter au maximum la quantité de granulats, en respectant toutefois les deux conditions suivantes :
-
Les granulats doivent satisfaire à certaines exigences de qualité,
-
la quantité de la pâte liante doit être suffisante pour lier tous les grains et remplir les vides.
La nature des gisements conditionne les propriétés intrinsèques (résistances, porosité,… etc.) des granulats. Par contre, les caractéristiques géométriques (granularité, forme,… etc.) et de propreté sont fonction du processus d'élaboration. Les granulats constituent trois familles essentielles: le sable d’une taille plus petite, le gravier d’une taille moyenne et le caillou d’une taille grossière. Leur différentiation s’effectue sur des critères variés à savoir:
-
La taille, la forme, la résistance à la compression, la composition chimique, et la masse volumique. Chapitre 3 : Les granulats
42
Les trois familles de granulats sont le résultat de la fragmentation des roches soit naturellement dans le cas du sable, ou artificielle dans le cas du gravier ou du caillou. Donc que ce soit pour le sable le gravier ou le caillou, la source est donc la même : la roche. Les roches sont des masses formées par des assemblages des minéraux, constituent l’écorce terrestre. Elles sont présentées en une très grande masse homogène. Selon le mode de leur formation, les roches sont répertoriées en trois grandes classes:
1. les roches éruptives Les roches éruptives sont classées classées en trois catégories bien définies et ceci selon leur vitesse de refroidissement : les granits, les porphyres et le basalte.
2. les roches sédimentaires Les roches sédimentaires se subdivisent en trois grandes catégories : Les roches carbonatées qui sont constituées essentiellement par les calcaires (CaCO 3) et les dolomites (Ca, Mg (CO3)), les roches argileuses et les roches siliceuses.
3. les roches métamorphiques A titre d’exemple, les calcaires se transforment en marbre, les grés en quartz et les argiles en schistes puis en micaschistes et en gneiss.
II- Différentes sources des granulats Les granulats usuellement usuellement utilisés pour la fabrication fabrication du béton ou mortier proviennent de trois sources : 1. les gisements naturels généralement des sites terrestres ou aquatiques où on extrait des sables dits alluvionnaires. La forme de ce type t ype de granulats est arrondie d’où l’appellation « granulats roulés ». 2. les carrières où les roches massives sont concassées pour obtenir le gravier, dit « granulats concassés ». 3. la fabrication particulière pour obtenir des sables artificiels à partir d’une pâte moulée et recuite.
III- Différents types types de granulats Les granulats regroupent les trois familles : sable, gravier et cailloux. Ils forment le squelette du béton ou du mortier avec l’eau et le liant hydraulique. La taille des grains des sables varie entre 0,05 mm pour le sable très fin à 1,6 mm pour le sable très grossier. En général, le sable de concassage est dédié à la réalisation des bétons spéciaux. Ce type de sable est caractérisé par un grand pourcentage de grains fins (de 5% à 20%). En revanche, le sable alluvionnaire contient moins de grains fins. Concernant le gravier, la taille des grains varie entre (2 mm-4 mm) pour le Chapitre 3 : Les granulats
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gravier très fin et 40 mm pour le gravier très grossier. Souvent la notion G1 et G2 sont utilisées pour faire la différence entre deux tailles de gravier. Le gravier G1 correspond à la taille des grains qui varie entre 8 et 15 mm. Le gravier G2 est un gravier dont la taille des grains varie entre 15 à 25 mm.
IV- La production des granulats Avant l’utilisation dans les chantiers, les granulats passent par les étapes suivantes : 1. l’extraction de la matière première, 2. le concassage dans le cas du gravier et le sable artificiel uniquement, 3. le criblage ou tamisage, 4. le stockage, Le criblage est une opération principale pour sélectionner les grains. Pour les granulats concassés, le criblage se fait généralement à sec. Dans le cas des granulats alluvionnaires, l’opération combine entre le tamisage et le lavage. Elle se fait sous un courant d’eau. Le lavage permet d'obtenir des granulats propres. La propreté des granulats est une nécessité industrielle.
V- Les propriétés requises des granulats Les caractéristiques les plus importantes qui déterminent la qualité des granulats sont, soient de type géométrique, mécanique, physique ou physico-chimique.
V-1-
Propriétés géométriques
Les propriétés géométriques se résument dans la rugosité de la surface des grains et le rapport entre la largeur et la hauteur des grains. Plus les grains sont de formes sphériques et lisses, meilleures seront l’ouvrabilité et la compacité du béton frais. Les granulats de forme aplatie et colonnaire de surface rugueuse ont une impact négatif qui défavorise l’ouvrabilité et augmente les besoins de la pâte en ciment fluide. Par contre, les granulats à arêtes vives et rugueuses ayant une surface spécifique assez importante ont une influence positive sur la résistance à la compression et à la traction- flexion en particulier. La granulométrie des grains influence fortement l’ouvrabilité de la pâte et ses propriétés après durcissement. Plus les grains sont petits, plus la surface devrait être recouverte par la pâte de ciment fluide. La granulométrie doit être dressée pour définir la classe des granulats et qui permettra une bonne formulation de la pâte.
V-2-
Propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques concernent essentiellement la résistance à la compression, Chapitre 3 : Les granulats
la 44
résistance à l’attrition, la gélivité et la friabilité des grains. Plus la résistance des granulats est importante, plus la résistance définitive de la pâte durcie sera élevée. Les essais dit "Los Angeles ( L A) " et " Micro-Deval ( M DE )" permettent de mesurer les résistances combinées à la fragmentation par chocs et à l'usure par frottements réciproques des granulats. Il consiste à mesurer la quantité d’éléments inférieurs à 1,60 mm produite en soumettant le matériau à une série de chocs et de fragments dans une machine cylindrique de Los Angeles (en 500 rotations). Un coefficient de Los Angeles faible correspond à un excellent matériau. En ce qui concerne les graviers, les grains doivent avoir un coefficient Los Angeles au plus égal à 35. Si M est la masse du matériau soumis à l’essai et m la masse des éléments inférieurs à 1,60 mm produit au cours de l’essai, la résistance à la fragmentation aux chocs est exprimé par le L A =
coefficient Los Angeles :
m M
× 100
Equation 1
Cet essai est également utilisé pour vérifier la sensibilité au gel des gravillons. Soit L A le coefficient Los Angeles du gravillon. On mesure un deuxième coefficient Los Angeles sur un échantillon de ce même gravillon ayant subi 25 cycles de gel-dégel. Soit L Ag le coefficient obtenu. La sensibilité au gel du gravillon a pour expression :
G =
L Ag − L A L A
× 100
Equation 2
L’essai de Micro-Deval est un variant qui s’applique sur les granulats. 500g de granulats sont placés avec une charge de 2 à 5 kg de billes d’acier de 10 mm de diamètre dans une jarre cylindrique rempli d’eau. On fait tourner 15mn et on récupère le passant de masse ( P) au tamis de 0,05 mm pour les sables et 2 mm pour les graviers et les cailloux. Le coefficient de Micro-Deval ( M DE) est donné par l’équation 3 : M DE =
P
500
× 100
Equation 3
Le Coefficient M DE est d’autant plus élevé que les granulats sont moins bons. Les grains doivent avoir un coefficient M DE au plus égal à 35.
V-3-
Propriétés physique
Les propriétés physiques des granulats sont essentiellement la masse volumique des grains et leur porosité, qui sont liées directement aux granulats. D'autres propriétés sont en relation avec des substances étrangères et nocifs tels que les matières organiques, les sels solubles et la propreté. La masse volumique et la porosité influencent fortement le type de la résistance des granulats. Chapitre 3 : Les granulats
45
Plus la masse volumique brute est faible, plus l’isolation thermique est élevée. Dans ce cas la résistance à la compression et l’isolation à la caustique sont faibles. Les granulats lourds permettent d’améliorer de l’effet protecteur contre les rayonnements radioactifs.
V-4-
Propriétés physico-chimiques
Les granulats doivent être chimiquement inertes dans les conditions climatiques (l’air, le gel, l'eau de pluie qui est parfois acide à cause de la pollution,…etc). Il faut noter que le choix des granulats est fait en fonction du type de ciment utilisé. Dans le cas du ciment alumineux par exemple, les granulats doivent être exemptes d’éléments alcalis susceptibles de réagir. Les granulats les plus compatibles avec ce type de ciment doivent provenir des roches dures tels que les sables siliceux. Du même, le pourcentage du calcaire dans le sable ne doit pas dépasser 30% en poids. Dans le cas des projets particuliers où les constructions sont exposées à des conditions particulières telles que les températures élevées (fours, douches, salle de bain …etc), les granulats doivent être indécomposables à ces températures et doivent posséder des coefficients de conductivités thermiques et de dilatation très faibles. D’une manière générale, les granulats : durs, secs et propres doivent permettre une bonne liaison et cohérence avec la pâte du ciment. Suivant les propriétés requises du béton, les granulats doivent satisfaire à d’autres exigences comme la résistance au gel et aux sels de déverglaçage où présenter une résistance élevée à l’usure. Dans le cas du béton pompé, les granulats concassés de mauvaises courbes granulométriques et de taille élevée ont des répercussions particulièrement néfastes.
VI- Différentes analyses des granulats VI-1-
Analyse granulométrique
La granularité est la répartition des grains d’un ensemble de granulat suivant leur dimension. Pour connaître cette répartition, on procède à une analyse granulométrique. Cette méthode consiste à tamiser les granulats sur une série de tamis ou passoires. Le refus et le tamisât de chaque tamis sont pesés. On trace ensuite la courbe granulométrique qui représente la distribution exacte de la taille des grains « mélange » de granulat. La courbe obtenue donne le pourcentage cumulé en poids de passant (ou refus) en fonction de la dimension de la maille des tamis ou des passoires. Dans la plus part des pays, on utilise les tamis et de moins en moins les passoires. La différence entre les deux instruments réside dans le fait que dans le premier les orifices sont des mailles carrées, tandis que dans le deuxième, les orifices sont des trous ronds.
Chapitre 3 : Les granulats
46
Le diamètre des mailles de tamis ( Dtamis ) et le diamètre des trous de passoire ( DP ) sont reliés par la relation suivante: D P =
10
10 Dtamis ≈ 1,25 Dtamis
Equation 4
Soit on utilise le diamètre du tamis (passoire) ou bien le module selon la relation suivante : Le module algébrique arrondi
est le produit par 10, arrondi à l’entier le plus proche, du
logarithme décimal de la dimension exprimée en micromètres (µm). Soit :
- Dn(µm) est le diamètre de tamis, « le module M n » est « Le module algébrique arrondi » + 1
M n = 10log Dn + 1
Equation 5
- D p (µm) est le diamètre de passoire, « le module M n» est Le module algébrique arrondi »
M n = 10log D p
Equation 6
La figure 1 présente une courbe type de granulométrie.
Figure 1 : La courbe granulométrique dans différents cas. La figure 2 montre les tamis utilisés au laboratoire pour faire l’étude granulométrique.
Chapitre 3 : Les granulats
47
Figure 2 : Photos d’une série de tamis avec une tamiseuse électronique. Selon la norme NF. P/18-560, pour procéder à une analyse granulométrique, on prend une masse m0 située entre 200D et 600D (avec D est le diamètre du plus grand grain). Cette masse m0 est tamisé sur un tamis de diamètre 80 µm (dans le cas de sable) et 500 µm (dans le cas de gravillon), sous un courant d'eau (pour éliminer les particules fins), après séchage des granulats dans l'étuve (105°C pendant 24 h), la masse m1 est la masse des granulats séchés. A l'aide d'une colonne de tamis (figure 2), dont ces derniers sont par ordre croi ssante en diamètre de bas en haut, on verse la masse m1 des granulats (sables ou gravier) au sommet de la colonne et on ferme, puis on règle la vitesse de secousses (20 à 30 par second), et la durée de tamisage (15 à 20 mn), à la fin on récupère au niveau de chaque tamis une fraction appelée refus qu’il faudra cumulée. La représentation de tamisât (%) en fonction de diamètre (mm) donne la courbe granulométrique (voir figure 1).
Figure 3 : Représentation de Refus et de Passant. Chapitre 3 : Les granulats
48
Pour la définition des classes granulaires par tamisage concernant les sables, les dimensions recommandées (en mm) sont les suivantes : 8,00/ 6,30/ 5,00/ 2,50/ 1,25/0,63/ 0,315/0,160/ 0,080. Pour la définition des classes granulaires par tamisage concernant les graviers, les dimensions recommandées (en mm) sont dans le tableau I.
Type des Tamis Tamis en maille carrés Grilles à fentes parallèles d’écartement (D/2)
Dimension en (mm) 80,00/ 63,00/ 50,00/ 40,00/ 31,50/ 25,00/ 20,00/ 16,00/ 12,50/ 10,00/ 8,00/ 6,30/ 5,00/ 3,15/ 0,50 31,50/ 25,00/ 20,00/ 16,00/ 12,50/ 10,00/ 8,00/ 6,30/ 5,00/ 4,00/ 3,15/ 2,50
Tableau I : Les dimensions recommandées pour l’études granulométriques des graviers. La courbe granulométrique représente la répartition exacte de la taille des grains du mélange de granulats (granulométrie). Les granulats sont classés en catégories selon leurs dimensions (classe granulaire). Le tableau II présente une classification des granulats selon la norme AFNOR.
Chapitre 3 : Les granulats
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Maille des Tamis NFX 11-501 AFNOR en mm 4000 1000 250 125 100 80 63 50 40 31,5 25,0 20,0 16,0 12,5 10,0 8,0 6,3 5,0 4,0 3,15 2,50 2,00 1,60 1,25 1,00 0,80 0,63 0,50 0,40 0,315 0,250 0,200 0,160 0,125 0,100 0,080 0,063 0,050 0,010 0.031 0,026 0,020 0,016 0,0125 0,0100 0,0080 0,0063 0,0050 0,0040 0,0020 0,00100 0,00025
Classe granulométrique
Classe Pétrographique
Bloc
Galet : Caillou Gravier très grossier Gravier grossier Gravier moyen Gravier fin Gravier très fin
G R A V I E R
R U D I T E S
Sable très grossier Sable grossier Sable moyen Sable fin
S A B L E
Sable très fin
A R E N T I T E S
Limon grossier Limon moyen Limon fin
Limon très fin
S I L T
L U T I T E S
argile
Tableau II : Classification des granulats suivant leurs dimensions. 1) Classe granulaire On désigne par la classe granulaire, la fourchette de calibres comprenant respectivement le petit et le gros grain d'un même granulat d/D. Par définition des références , un granulat d/D doit satisfaire aux conditions suivantes : Chapitre 3 : Les granulats
50
- Refus sur le tamis de maille D et Tamisât sous le tamis de maille d
≤ 15% si D> 1,56d ≤ 20% si D ≤ 1,56d.
à remarquer que généralement D > 1,56d. - Refus sur le tamis de maille 1,56 D = 0. < 3% si D> 5mm ≤ 5% si D ≤ 5 mm.
- Tamisât sous le tamis de maille 0,63d - Si d< 0,50 mm le granulat est dit 0/D
2) Coefficient d’aplatissement A Le coefficient d'aplatissement A permet de caractériser la forme des granulats dont les dimensions sont comprises entre 4 et 80 mm et de suivre la régularité
des fournitures de
gravillons. On détermine le coefficient d'aplatissement A en faisant intervenir le rapport entre la dimension G de la maille carrée minimale dans laquelle passe le gravillon et la distance minimale
E entre deux plans parallèles contenant le gravillon (voir figure 4). La détermination de ce coefficient s'effectue par deux tamisages successifs : d'abord sur un tamis à maille carrées G, puis sur des grilles à fentes parallèles d'espacement G/1,58. Le coefficient d'aplatissement est par définition, le pourcentage des éléments tel que G/E >1,58. Un gravillon de forme défavorable (plat ou allongé) présente un coefficient d'aplatissement élevé (20 à 40%). Un gravillon de forme favorable (sphérique, cubique, nodulaire) présente un coefficient d'aplatissement généralement compris entre 5 et 20 %.
G E
Figure 4 : Dimensions d'un grain de granulat.
Figure 5 : Photos des grilles à fente.
On peut déterminer : G
-
l’indice d’allongement :
-
l’indice d’aplatissement : α =
β =
L
≤1
E G
≤1
La normalisation fixe ce coefficient à la valeur maximale de 30% (A< 30%). La détermination de coefficient d’aplatissement s’effectue par double tamisage, d’abord sur un Chapitre 3 : Les granulats
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tamis à une maille carrée G, puis sur des grilles à fentes parallèles d'espacement G/1,58. La forme des granulats est déterminée pour les bétons soumis aux frottements (dallages, revêtement des chaussées) et pour les matériaux de concassage. Il faut noter que les formes arrondies (granulats roulés) permettent un meilleur malaxage et une meilleure mise en œuvre que les formes angulaires (granulats concassés). Plus les granulats sont arrondies, meilleure est l’ouvrabilité du béton frais. En contre partie, les grains sont anguleux favorisent la résistance à la traction-flexion du béton. D'une façon générale, quelque soit les matériaux, la forme optimale pour les grains est celle qui se rapproche le plus : - de la sphère, pour les matériaux roulés, - du cube, pour les matériaux broyés. Les matériaux contenant des aiguilles, ou des plaquettes sont à éviter, car ils rendent le béton peu maniable et nuisent à sa compacité, donc affectent sa résistance et son imperméabilité. Pour ces raisons et d’autres, les normes suggèrent que: −
Le sable doit contenir le moins possible des grains plats.
−
Le gravillon doit contenir le moins possible d'éléments de forme plate ou allongée.
La forme des granulats influence •
La facilité de mise en oeuvre et le compactage du béton.
•
La compacité du mélange, donc le volume des vides à remplir par la pâte de ciment.
L'état de surface des grains influence •
La compacité du mélange.
•
L'adhérence du granulat à la pâte de ciment.
La forme est d'autant meilleure qu'elle est proche d'une sphère ou d'un cube: Cube, sphère
Trois dimensions à peu près égales (bonne compacité)
plaquettes
Une dimension beaucoup plus petite que les deux autres (mauvaise compacité)
aiguilles
Une dimension beaucoup plus grande que les deux autres (très mauvaise compacité)
Tableau II : Forme des granulats. 3) Propreté superficielle La qualité des granulats utilisés dans les bétons et les mortiers est un facteur très important. Les granulats doivent satisfaire : une bonne répartition granulaire, une forme favorable, et une propreté satisfaisante. La propreté superficielle est le pourcentage pondéral de particules de dimensions inférieures à Chapitre 3 : Les granulats
52
0,50 mm adhérentes à la surface ou mélangées à un granulat de dimension supérieure à 2 mm. Les éléments fins contenus dans le granulat à tester sont séparés par lavage sur un tamis d'ouverture 0,50 mm. Le pourcentage en éléments fins est déterminé par pesées après séchage du refus. En effet, la présence excessive dans des granulats des éléments fins, généralement argileux empêche une bonne adhérence de la pâte du liant et entraîne une chute de la résistance mécanique et aussi des variations des propriétés rhéologiques du mélange. L'un des inconvénients qui présentent les produits de concassage non dépoussiérés, est qu'ils contiennent une proportion exagérée de farine (grains inférieurs à 100
µm),
ce dernier absorbe
une grande quantité d'eau de gâchage, et fait diminuer la résistance du béton, ce qui justifie la mauvaise réputation des granulats de broyage.
4) Module de finesse Le module de finesse Mf est un caractère numérique très important pour la courbe granulométrique. Il quantifie le caractère plus ou moins fin d’un sable. Les sables doivent présenter une granulométrie telle que les éléments fins ne soient ni en excès, ni en trop faible proportion. S’il y a trop de grains fins, il sera nécessaire d’augmenter le dosage en eau du mortier-béton tandis que si le sable est trop gros, la plasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en place difficile. Par définition, le module de finesse est la somme des pourcentages des refus cumulés pour les tamis de série suivante : 0,16-0,315-0,63-1,25-2,5-5 divisé par 100.
M f =
1 100
∑ R i
Equation 7
Avec Ri = Refus cumulé en % des tamis de module {23, 26, 29, 32, 35, 38}. En pratique, les sables sont classés en trois catégories selon le module de finesse M f : •
Catégorie A (2,2
•
Catégorie B (1,8
•
Catégorie C (2,8
Le module de finesse est d'autant plus petit que le granulat est riche en él éments fins.
Chapitre 3 : Les granulats
53
5) Foisonnement des sables Le volume occupé par un poids donné de sable sec augmente en même temps que son humidité. Ce phénomène peut donc avoir une influence importante lorsque le dosage du béton est réalisé, non pas en poids, mais en volume. Nous appellerons donc le coefficient de foisonnement f (exprimé en %) l’augmentation de volume correspondant à une humidité donnée, par rapport au volume occupé par la même quantité de sable mais à l’état sec : f =
V humide−V sec V sec
×100
Equation 8
VI-1-b) Essai de Propreté La présence de boues, d'argiles ou de poussières mélangées aux matériaux ou enrobant les grains, empêche leur adhérence avec les liants, et perturbent l’hydratation du ciment. La présence de telles impuretés dans les granulats les rend comme granulats non recommandés à l’utilisation tels qu’ils sont. La propreté du gravier est déterminée par pesage avant et après lavage à grande eau puis séchage. Les impuretés sont données en pourcentage du poids de matériau propre. Pour le sable plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour cet objectif.
1) Teneur en fines argileuse Les poussières dont le diamètre est inférieur à 50 µm risquent de compromettre l’adhérence du mélange (granulat-ciment). Pour assurer la propreté des granulats on procède à un lavage sur un tamis de 500 µm pour les gravillons et de 80 µm dans le cas des sables. Le passant sur ce tamis détermine ce qu’on appelle la teneur en matière argileuse. Pour l e béton de qualité cette valeur ne devrait pas dépasser 2%. Le pourcentage de fines ( f ) d'un sable passant à travers les tamis de diamètre 63 µm (ou 80 µm) est déterminé conformément à l'équation suivante:
f =
( M 1 − M 2 ) + P M 1
× 100
Equation 9
Avec : M 1 : Masse de l'échantillon soumis a l'essai, M 2 : Masse du refus au tamis de diamètre 63 µm (ou 80 µ m), P : Masse du tamisât restant dans le fond.
Dans certain cas tel que les granulats concassés d’origine calcaire, les fines recueillies lors de cet essai peuvent être autres que argileuses. Dans ce cas, ce dernier type de fines peut être différencié Chapitre 3 : Les granulats
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du premier par sa surface spécifique. En effet, les fines argileuses sont caractérisées par une surface spécifique 100 fois plus élevée que celles non argileuses. Pour cela, on procède à la technique dite « essai de bleu méthylène ». Cette méthode est appliquée pour déterminer la quantité de bleu nécessaire pour recouvrir une monocouche de fines.
2) Equivalent de sable La propreté de sable est souvent évaluée par l’essai appelé « équivalent de sable ». L’essai consiste à séparer les particules fines contenues dans le sol des éléments sableux plus grossiers par une solution floculant. L’équivalent de sable exprime un rapport conventionnel volumétrique entre les éléments dits sableux non floculants qui sédimentent dans le font des éprouvettes et les éléments fins formants le floculat, qui restent en suspension dans la solution. La solution floculant contient 111g/480g/12g respectivement en Chlorure de calcium anhydre, glycérine et en formaldéhyde dissous dans 40 l d’eau distillée. La figure suivante schématise les étapes suivies pour faire la mesure de l’équivalent de sable.
H1
H'2
1- Mettre le sable dans la solution
2- Laisser décanter et mesurer H1 et H'2
Figure 6-a : Mesure de l’équivalent de sable visuel. L’essai est effectué sur un poids de sable bien défini de fraction 0/5. Si un tamisage est nécessaire, il doit se faire par voie humide pour ne pas perdre d'éléments fins. La quantité de sable est plongée ensuite dans la solution suivie d’une agitation forte. Après la décantation pendant 20 min environ on mesure les hauteurs H1 et H'2. Les hauteurs sont mesurés de deux manières, soit visuel et on parle de l’équivalent de sable visuel ( ESV ) ou par piston et dans ce cas, c’est l’équivalent de sable par piston ( ES ) qu’on mesure. La formule donnée pour le calcul de l’équivalent de sable est la suivante :
Chapitre 3 : Les granulats
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ESV = 100 ×
H'2 H1
Equation 10
H1 : étant la hauteur contenant le sable propre et les éléments fins en suspension. H'2 : étant la hauteur du sable propre uniquement.
Dans le cas des sols par exemple, la mesure de H'2 peut être délicate. Dans ce cas on substitue l'essai visuel par l'essai au piston (voir figure 6-b). La valeur de H2 est mesurée à l’aide d’un piston qu’on fonce dans l’éprouvette jusqu’au niveau supérieur du sédiment . L'équivalent de sable mesuré par piston est alors: ES = 100 ×
H2 H1
Equation 11
Figure 6-b : Mesure de l’équivalent de sable par piston. Le test de mesure de l’équivalent de sable est connu par délicatesse et il est recommandé que le test doit être suivi de prêt. Le sable peut être classé dans quatre familles selon la valeur de l’équivalent de sable : •
ES<65 : Sable argileux qui peut provoquer un risque de retrait ou de gonflement. Ce type de sable ne doit pas être utilisé pour le béton de qualité. Pour améliorer la propreté de ce type de sable, un lavage doit être effectué avant utilisation.
•
65
•
75
•
Es>85 : Sable très propre, l’absence presque totale des fines argileuses : risque d’entraîner un défaut de plasticité du béton qu’il faudra rattraper par une augmentation du dosage en eau. Ce type de sable peut être utilisé en béton de qualité à haute résistance et en béton exceptionnel. Chapitre 3 : Les granulats
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Les fines de nature siliceuse ou calcaire provenant par exemple du broyage, dite "fines inertes" ne présentent pas ou peu d'effets néfastes pour la qualité du béton si leur quantité est bien entendu limitée. En revanche, des fines de nature argileuse dite "fines actives", à cause de leur surface spécifique interne élevée peuvent entraîner des effets secondaires importants même si leur teneur dans les sables est faible. Il est important de signaler que l’équivalent de sable ne donne pas une vraie indication sur la nature des fines contenues dans le sable. Il parait donc indispensable, dans certains cas, pour évaluer de façon plus sélective la propreté des sables, de compléter ce test par « l’essai de bleu de méthylène ». Avec ce test on peut déterminer la nature exacte de ces fines.
VI-1-c) Analyse physico-chimique Les principaux éléments chimiques de base qui constituent les granulats sont : la silice, la chaux, l’alumine, le fer, la magnésie et les oxydes alcalins. Certains de ces éléments existent aussi dans le ciment. Les teneurs de ces éléments dans les deux composants (granulats et ciment) sont différentes mais, comme nous allons le montrer dans la suite, les types des analyses sont similaires. Selon la teneur en silice, alumine et chaux, les granulats peuvent être classés dans l’une des quatre classes :
Catégorie de sable
SiO 2 (%)
Al2O3 (%)
CaO (%)
Les siliceux
70-90
1-10
0,1-1
Les silico-alumineux
50-70
10-25
1-5
Les Silico-calcaires
15-50
3-10
15-30
Les calcaires
2-10
0,5-2
30-50
Tableau III : Classement des granulats selon la composition chimique. Pour faire un dosage chimique élémentaire, on fait appel à deux types de méthode d’analyse : méthodes chimiques et méthodes physiques.
A-1- Analyse des éléments dits nocifs pour le béton: matière organique, sulfure, sulfite et métaux Les éléments étrangers considérés comme éléments nocifs pour la pâte mortier-béton sont principalement la matière organique et les sulfures. Les sulfures se trouvent généralement sous forme de sulfate (gypse) ou de sulfure (pyrite). La matière organique provient des feuilles mortes, du bois, des herbes…etc. Les normes tolèrent un pourcentage en éléments nocifs inférieur à 5%. Cependant, il faut que le pourcentage de ces impuretés soit uniforme et on ne doit pas constituer des volumes importants. En effet, ces matières nocives doivent être présentes en faible quantité. Certains tels que les acide humiques et fulviques peuvent perturber, et même stopper la prise et l e Chapitre 3 : Les granulats
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durcissement de la pâte de ciment. Le même effet peut être provoqué par les acides formés par la décomposition des déchets végétaux lorsqu’ils se combinent aux sels alcalins du ciment. Le pourcentage en matière organique est déterminé par analyse chimique après attaque prolongée de l’échantillon par l’eau oxygénée (33%) à chaud. On peut considérer aussi tous les métaux tels que (Pb, Zn, Cu, Ag,…) comme éléments nocifs car d’après les bibliographies et en présence de l’oxygène, ces éléments attaquent le béton et les armatures en provoquant la dégradation du béton et la corrosion métalliques des armatures ainsi retardent le processus d’hydratation. Le dosage des traces de ces métaux est effectué par l’absorption atomique après la mise en solution.
A-2- Dosage des oxydes alcalin (Na 2O, K2O) Le dosage de ces deux éléments se fait par photomètre de flamme après mis en solution de l’échantillon à analyser. Par définition la grandeur %Na 2Oéq est donnée par la relation suivante : % Na2 Oéq = % Na2 O + 0,658× % K 2 O
Equation 12
A-3- Dosage des carbonates CaCO 3 par calcimétrie par titrage Les carbonates dans les roches existent sous forme de calcite et/ou de la dolomite et on ne peut pas faire la distinction entre les deux. Le dosage consiste à attaquer une masse m des granulats, réduit en poudre, par une quantité connue d’HCl ( V A , 1N), puis on titre l’excès de HCl non consommé par une solution de NaOH ( V B , 1N). La réaction entre HCl et les carbonates est la suivante : CaCO3 + 2 HCl −−−−−−−> CaCl 2 + H 2 O + CO2
(1)
Si on résonne par rapport à une masse initiale de granulat de 1 g, les teneurs des carbonates seront comme suivantes: − Dans le cas où les carbonates se présentent sous forme de calcite :
% CaCO3 = (V A − V B )× 5
Equation 13
− Dans le cas où les carbonates se présentent sous forme de la dolomite :
% CaCO3 = (V A − V B )× 4,6
Equation 14
A-4- Dosage des chlorures Le dosage des chlorures est effectué par potentiomètre. La Potentiomètre est une représentation sigmoïdale qui permet de quantifier l'échange d'électrons d'une réaction rédox. La mesure se fait au moyen d’une électrode de référence, d'un liquide qui établit le contact entre les deux Chapitre 3 : Les granulats
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électrodes et d'un voltmètre qui va mesurer la différence de potentiel des deux électrodes. Les -
+
ions Cl réagissent avec des ions Ag suivant la réaction de précipitation : Ag +
+
Cl −
− − − − − −− >
(2)
AgCl ( Solide )
L’électrode combinée d’argent dont le potentiel s’exprime comme suivante :
E Ag = E °
+
Ag / Ag
+ 0 ,059 log
Chapitre 3 : Les granulats
K ps
[Cl − ]
Equation 15
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VI-2- Les caractéristiques physiques 1- Masse volumique La masse volumique donne des indications sur la porosité des sables et joue fortement sur la résistance du béton. Selon la masse volumique réelle (absolue) on distingue trois types des granulats : 3
1- Granulats lourds dont la masse volumique est supérieure à 3 kg/dm , 3
2- Granulats le plus fréquemment utilisés dont la masse volumique est de 2,6 à 2,7 kg/dm , 3
3- Granulats légers caractérisés par une masse volumique inférieure à 2 kg/dm .
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Table de Matière Chapitre 3 : Les granulats............................................................................................... 42 I- Introduction ............................................................................................................................ 42 II- Différentes sources des granulats.......................................................................................... 43 III- Différents types de granulats ............................................................................................... 43 IV- La production des granulats................................................................................................. 44 V- Les propriétés requises des granulats.................................................................................... 44 V-1- Propriétés géométriques ............................................................................................................. 44 V-2- Propriétés mécaniques ................................................................................................................ 44 V-3- Propriétés physique .................................................................................................................... 45 V-4- Propriétés physico-chimiques..................................................................................................... 46
VI- Différentes analyses des granulats....................................................................................... 46 VI-1- Analyse granulométrique .......................................................................................................... 46 1) Classe granulaire................... ........................................................... ..................................................... 50 2) Coefficient d’aplatissement A................................................ ........................................................... .... 51 3) Propreté superficielle ................................................... ........................................................... .............. 52 4) Module de finesse ........................................................ ........................................................... .............. 53 5) Foisonnement des sables.................................... ........................................................... ........................ 54 VI-1-b) Essai de Propreté............................................ ........................................................... ........................ 54 1) Teneur en fines argileuse ....................................................... ........................................................... .... 54 2) Equivalent de sable ...................................................... ........................................................... .............. 55 VI-1-c) Analyse physico-chimique ........................................................... ..................................................... 57 A-1- Analyse des éléments dits nocifs pour le béton: matière organique, sulfure, sulfite et métaux .... 57 A-2- Dosage des oxydes alcalin (Na 2O, K2O) ...................................................... ................................. 58 A-3- Dosage des carbonates CaCO 3 par calcimétrie par titrage ........................................................ .... 58 A-4- Dosage des chlorures ..................................................... ........................................................... .... 58
VI-2- Détermination des caractéristiques physiques........................................................................... 60 1- Masse volumique ......................................................... ........................................................... .............. 60
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